69_39_Genetikapdf

71

ТЕМА 10. РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ

10.1. Рівні організації спадкового матеріалу

Розрізняють	наступні	рівні	структурно-функціональної	організа
спадкового матеріалу:

·генний

·хромосомний

·геномний.

Елементарною структурою генного рівня організації є ген. Гени відносно незалежні один від одного, тому можливе дискретне(роздільне) і незалежне успадкування (III закон Менделя) і зміна (мутації) окремих ознак.

Гени клітин еукаріот знаходяться в хромосомах, забезпечуючи хромосомний рівень організації спадкового матеріалу. Гени однієї хромосоми утворюють групу зчеплення і передаються, як правило, разом. Цей рівень організації - необхідна умова зчеплення генів і перерозподілу генів батьків у нащадків при статевому розмноженні(кросинговер і випадкова розбіжність хромосом і хроматид до полюсів при мейозі).

Уся сукупність генів організму у функціональному відношенні утворює єдину систему, названу генотипом (геномом). Один і той самий ген у різних генотипах може виявляти себе по різному. Геномний рівень організації пояснює взаємодію генів як усередині одної хромосомі, так і міжалельну взаємодію генів, розташованих в різних хромосомах.

10.2. Поняття ген, функції і властивості генів

Термін «ген» було запропоновано Вільгельмом Йоханнсеном 1909у р., невдовзі після перевідкриття менделівських законів спадковості. Із тих часів поняття гена кілька разів піддавалося новому визначенню. Беззаперечним є лише те, що ген є ділянкою ДНК, проте таке визначення нічого не говорить про властивості, які мають бути притаманні цій ділянці, щоб її можна було вважати геном. Від початку існування термін інтерпретувався як дискретна й нероздільна спадкова одиниця, яка не залежить від інших спадкових одиниць і відповідає за прояв певної ознаки. Нині зрозуміло, що ген не є дискретним і нероздільним. Останнім часом набула популярності комп’ютерна метафора, згідно з якою

спадковий	апарат (геном	і систему його	експресії) можна розглядати як
«операційну	систему», що	керує організмом, а	ген – як «підпрограму» цієї
системи.

Після того, як було з’ясовано, що гени знаходяться в хромосомах, ген став розглядатися як хромосомний локус, а сама хромосома – як лінійна комбінація генів, що не перекриваються. Часто так воно і ,є але, з іншого боку, один локус (одна ділянка хромосомної )ДНКможе містити кілька генів– гени перекриваються або за рахунок перекриття рамок зчитування(деякі бактеріофаги та окремі гени еукаріотів), або за рахунок розташування генів(в еукаріотичних

	72
геномах) у межах інтрону	іншого гена, або за рахунок розташування двох
кодуючих послідовностей на	одній ділянці ДНК на двох різних ланцюгах. Крім

того, концепція гена як локусу не може бути застосована для мобільних елементів геному – ділянок ДНК (які часто містять один або кілька генів), що можуть змінювати свою локалізацію в геномі.

Розвиток молекулярної біології спочатку привів до розуміння того, що ген – це ділянка молекули ДНК, яка відповідає за синтез молекули білка(один ген

– один білок). Іноді це справді так, проте сьогодні вже ясно, що, по-перше, не менш важливими є гени, що кодують різноманітні РНК, які не піддаються трансляції. По-друге, одна ділянка ДНК (сукупність екзонів еукаріотичного гена) часто дає кілька білкових продуктів за рахунок альтернативного сплайсингу. Різниця між біологічними видами часто зумовлена не тільки і не стільки різницею в наборах кодуючих послідовностей (екзонів), скільки різними комбінаціями цих екзонів. Причому таке перекомбінування можливо як на рівні ДНК, так і на рівні кінцевих транскриптів. Отже, якщо трактувати ген як спадковий фактор, то ген –

це не тільки ділянка ДНК, що містить певну інформацію, а й система експресії цієї інформації.

Інтенсивний розвиток упродовж останніх10 – 15 років нової дисципліни – геноміки, що спрямована на встановлення та аналіз нуклеотидних послідовностей цілих геномів, зумовив тенденцію розглядати ген як анотовану геномну ділянку з певними властивостями. Отже, ген – це певна визначена зона геномної

послідовності, яка відповідає одиниці спадковості й містить регуляторні ділянки та ділянки, що транскрибуються. Під словами «одиниця спадковості» слід розуміти той факт, що ген кодує певні(один або кілька) функціональні продукти (білки або молекули РНК, що не транслюються). Під «ділянкою, що транскрибується» мається на увазі певна група екзонів, з’єднаних інтронами, яка транскрибується як одне ціле. При цьому за правилами анотації послідовностей, прийнятими сучасними базами даних геномних послідовностей, первинні транскрипти, котрі піддаються альтернативному сплайсингу, вважаються такими, що належать одному гену, навіть якщо кінцеві білки є різними. Тобто ген – це

група екзонів, що транскрибуються разом,			або ген – це ділянка геному,			що
дає набір кінцевих транскриптів, які містять хоча б один спільний екзон.
Важливим моментом наведеного визначення гена				,є щоте до складу		цієї
елементарної одиниці спадковості організму прийнято включати					регуляторні
ділянки, які контролюють його активність.
Як	фізичний	об’єктген – це	ділянка	полімерної	молекули
дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Єдиним винятком із цього загального
для всіх живих організмів правила є особливий клас вірусів, де роль носія
інформації виконує інша нуклеїнова кислота(хімічний аналог					ДНК) –
рибонуклеїнова кислота (РНК). Численні типи РНК беруть також					участь у
процесах реалізації генетичної інформації в усіх організмах.
Як	джерело	інформаціїген – це	ділянка ДНК, у послідовності
нуклеотидів якої записано інформацію про певний функціональний продукт.
Визначення	гена можна сформулювати й		так: ген – це ділянка ДНК,		яка є

										73
необхідною і достатньою для повноцінного синтезу функціональної молекули
РНК.	Ділянка ДНК, яка може			вважатися			геном, ає	містити		кодуючу
послідовність із записаною інформацією про продукт, а також певний набір
регуляторних елементів послідовності, від яких залежить запуск/ блокування
процесу транскрипції, шлях зчитування інформації тощо.
Первинними		функціями	генів		є	збереження		і	передача		генети
інформації. Гени характеризуються певними властивостями:
·	специфічністю – кожен			структурний			ген	володіє		тільки	йому
	властивим порядком розташування нуклеотидів і детермінує синтез
	певного поліпептиду;

·цілісністю – при програмуванні синтезу поліпептиду ген виступає як неподільна одиниця; і дискретністю – наявність субодиниць;

·стабільністю – відносно стійкі і лабільністю – здатність до мутацій;

·плейотропією – один ген може відповідати за прояв декількох ознак;

·експресивністю – ступінь фенотипового прояву;

·пенетрантністю – частота прояву гена;

·алельністю – у генотипі диплоїдних організмів лише дві форми гена.

10.3.Класифікація генів

За місцем локалізації розрізняютьядерні і цитоплазматичні гени. За характером взаємодії у алельній парі – домінантні і рецесивні гени.

За функціонуванням у різних типах клітин, гени поділяються на:

·функціонуючі у всіх клітинах(наприклад, гени, що кодують ферменти енергетичного обміну);

·функціонуючі в клітинах однієї тканини(наприклад, гени, що детермінують синтез міозину у м’язовій тканині);

·специфічні для одного типу клітин(наприклад, гени гемоглобіну у незрілих еритроцитах).

За функціональним значенням гени поділяють на:

·регуляторні (гени-модулятори, що підсилюють або послабляють дію

структурних генів – інгібітори, інтенсифікатори, інтегратори, модифікатори і гени, що регулюють роботу структурних генів– регулятори й оператори);

·структурні (несуть інформацію про білки-ферменти і гістони, про послідовності нуклеотидів у різних видах РНК).

Структурні гени поділяються на:

·	конститутивні (функціонують на	всіх	стадіях	онтогенезу	і у всіх
	тканинах, містять інформацію	про	процеси	матричного	синтезу,
	кодують обов’язкові структурні компоненти клітини, контролюють
	постійно протікаючі обмінні процеси);

·індуцибельні (функціонують у різних тканинах на певних етапах онтогенезу, включення та виключення цих генів строго регулюється.

74

До них відносяться гени, які контролюють процес онтогенезу і гени, що безпосередньо визначають структуру і функції компонентів клітини і цілого організму).

10.4. Шлях передачі генетичної інформації в живих системах – «центральна догма» молекулярної генетики

Магістральний шлях передачі інформації в біологічних системах відображає схема, яка була, виходячи з принципів структурної організації подвійної спіралі ДНК, запропонована у свій час Френсісом Кріком під назвою «центральна догма молекулярної біології». Потік генетичної інформації можна зобразити в такий спосіб:

ДНК«ДНК	®	і-РНК	®	білок
Реплікація		транскрипція		трансляція
Передача	генетичної	інформації відбувається	від	ДНК до ДНК п

реплікації ДНК (аутосинтетична функція при розмноженні клітин) від ДНК через іРНК до білка (гетеросинтетична функція при біосинтезі білка).

Під час транскрипції нуклеотидна послідовність ДНК переписується в нуклеотидну послідовність РНК– ДНК використовується як матриця, на якій будується комплементарна РНК-репліка. Молекула РНК, що синтезується на білковому гені, використовується далі як матриця для білкового синтезу– трансляції (переписування нуклеотидної послідовності РНК в амінокислотну послідовність білка).

Суттєвим моментом функціонування біологічної системи є не тільк реалізація (експресія) генетичної інформації, а й її збереження та подвоєння з метою передачі наступному поколінню. Подвоєння інформації – це відтворення молекули ДНК у двох ідентичних дочірніх копіях– реплікація. Головним її механізмом знову ж таки є принцип комплементарності: кожен із ланцюгів ДНК використовується як матриця для синтезу комплементарної ДНК-репліки.

Довгий час вважалося, що передача генетичної інформації в зворотному напрямку неможлива. У 1975 р. Р. Дульбеко, Г. Тимін і Д. Балтімор описали явище зворотної транскрипції – передачі генетичної інформації від іРНК до ДНК за допомогою ферменту зворотної транскриптази(ревертази). Наявність ревертази у нормальних клітинах свідчить про можливість передачі інформації від

РНК до ДНК. Було встановлено, що на визначених стадіях ембріогенезу у клітинах амфібій різко зростає число генів, що кодують рибосомальну РНК. При цьому відбувається збільшення числа копій генів рибосомальної РНК методом зворотної транскрипції. Таким чином, у даний час центральна догма молекулярної біології може бути представлена наступною схемою:

Транскрипція	Трансляція
ДНК	і-РНК	білок
	Реплікація	Зворотна транскрипція

75

10.5. Рівні регуляції експресії генів

Експресія гена – це реалізація генетичної інформації, що закодована у ДНК, шляхом її транскрипції і трансляції. Транскрипція – синтез іРНК на ДНКматриці. Трансляція – синтез білка на матриці іРНК.

Регуляція експресії генів може здійснюватись на кількох рівнях:

·генний – пов’язаний із зміною кількості або локалізації генів, що контролюють дану ознаку;

·транскрипційний – визначає які і скільки іРНК повинні синтезуватись у даний момент;

·трансляційний – забезпечує відбір іРНК, що транслюються на рибосомах;

·функціональний – пов’язаний з алостеричною регуляцією активності ферментів.

Першим етапом експресії генетичної інформації, записаної в послідовності нуклеотидів ДНК, є транскрипція – процес синтезу РНК з використанням одного з ланцюгів ДНК як матриці, тобто «переписування» послідовності нуклеотидів ДНК у послідовність нуклеотидів РНК.

Молекула РНК, що синтезується на білковому гені (іРНК), використовується далі як джерело інформації на другому етапі експресії гену– синтезі білка, або трансляції, – перекладі нуклеотидного тексту в амінокислотний.

Відповідність між цими двома типами текстів(між комбінаціями нуклеотидів і амінокислотами) називається генетичним кодом.

Безпосереднім продуктом активності геному, яка регулюється спеціальними

системами (за участю певних генів), є специфічна для даного	типу клітин
сукупність транскриптів (молекул РНК). Участь цих транскриптів	у білковому

синтезі зумовлює утворення набору білків, для яких характерною є складна

взаємодія.	Загальна	картина	взаємодій	між	білками	визначає	розмаї
біологічних	функцій,	які часто	й виконуються		не поодинокими молекулами

білків, а міжмолекулярними комплексами. При цьому варіації складу цих комплексів приводять до варіацій функціональних. Білки та мультимолекулярні комплекси, відповідні за каталіз хімічних реакцій, функціонування сигнальних мереж, транспорт сполук тощо, залучені до складної системи реакцій і метаболічних перетворень, до якої зводиться вся сукупність зовнішніх ознак та фізіологічних проявів організму.

10.6. Принципові відмінності у реалізації генетичної інформації у -прота еукаріот

Сукупність послідовностей ДНК у клітинах даного організму називається геномом. На сьогодні повністю встановлено послідовності 700понад бактеріальних і близько 100 еукаріотичних геномів. Головна відмінність між ними полягає в тому, що у прокаріотичних геномах кодуючі послідовності становлять близько 95 %, тоді як частка кодуючих послідовностей у геномах еукаріотів не

				76
перевищує 3 %. Розміри	деяких геномів	і оцінку кількості		білкових генів у
їхньому складі наведено у табл. 10.1.				Таблиця 10.1
Розміри геномів і кількість білкових генів деяких організмів
Організм	Розмір геному	Кількість	Кількість генів
	(пари основ)*	молекул ДНК*
Бактеріофаг φХ-174	5386	1		10
Escherichia coli	4,6×106	1		4100
Saccharomyces cerevisiae	1,2×107	16		6700
Нематода	108	6		20000
Плодова мушка	1,3×108	4		14000
Курка	109	33		13000
Миша	3,3×109	20		22000
Людина	3,2×109	23		21000

* Для еукаріотів розмір геному та кількість молекул відображають половину ДНК у клітинному ядрі.

Суттєвою особливістю прокаріотичної системи транскрипції білкових генів є те, що молекула іРНК зв’язується з рибосомами безпосередньо під ча

транскрипції – прокаріотична транскрипція і білковий синтез є єдиним процессом (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Принципова схема реалізації генетичної інформації у про- (зліва) та еукаріот (справа)

Також особливістю прокаріотичного геному є ,тещо хоча приблизно3/4 транскрипційних одиниць (наприклад, E. coli) містять один ген, решта реалізує

77

характерний для бактерій оперонний принцип організації генетичного матеріалу. Оперон представляє собою кластер так званих структурних ,генівна яких синтезується одна молекула іРНК, що має кілька (одна на кожен структурний ген) послідовних відкритих рамок зчитування для трансляції відповідних білків. У межах оперона згруповані структурні гени, які відповідають за синтез білків, залучених до одного ланцюжка біохімічних перетворень(ферменти синтезу або

деградації	певної сполуки). Крім структурних генів оперон має регуляторні
ділянки, за рахунок яких здійснюється регуляція транскрипції оперона як цілого.
У геномі E. coli міститься приблизно 650 таких одиниць транскрипції.
На	відміну від прокаріотів, еукаріотична іРНК синтезується під час
транскрипції у клітинному ядрі, звідки транспортується до цитоплазми. Отже,
білковий	синтез, який	відбувається	в	цитоплазмі, та транскрипція є
окремими,	розділеними	у просторі	й	часі, етапами експресії гена. Інша

принципова відмінність полягає в мозаїчності будови еукаріотичного: гена первинний транскрипт, що синтезується, не може бути використаний як матриця для білкового синтезу, оскільки в його складі є інтрони. Дозрівання пре-іРНК з утворенням функціональної матриці називаютьпроцесингом. Усі операції процесингу відбуваються під час транскрипції на РНК-полімеразному комплексі,

тобто процесинг еукаріотичної іРНК є невід’ємною частиною транскрипції.

10.7.Регуляція роботи генів у прота еукаріот

10.7.1.Регуляція роботи генів у прокаріот. Схема регуляції транскрипції у прокаріот була запропонована .ФЖакобом і Ж. Моно в 1961 р. на прикладі лактозного оперона. Група структурних генів, керована одним геном-оператором,

утворює оперон. До складу оперона входить також невелика ділянка ДНК-

промотор з ініціатором- місце первинного прикріпленняРНК-полімерази -

ферменту, каталізуючого реакції ДНК-залежного синтезу іРНК. Ген-оператор включає і виключає структурні гени для зчитування інформації, отже, вони не постійно активні. Закінчується оперон термінатором. Ген-регулятор, що знаходиться звичайно на деякій відстані від оперона, постійно активний і на основі його інформації синтезується особливий білок-репресор. Білок-репресор має здатність блокувати ген-оператор, вступаючи з ним у хімічну сполуку, і тоді зчитування інформації зі структурних генів не відбувається, тобто оперон «не працює» (рис. 10.2).

Якщо в клітину надходить індуктор, то він зв’язує білок-репресор (вступає з ним у хімічний зв'язок), звільняючи ген-оператор. РНК-полімераза розриває зв’язок між двома ланцюжками ДНК оперона, починаючи з промотору, і за принципом комплементарності інформація (порядок нуклеотидів) зі структурних генів переписується на іРНК(поліцистронну), що потім йде в рибосоми, де синтезуються ферменти, останні розкладають індуктор.

Коли останні молекули індуктора будуть зруйновані, звільняється білокрепресор, що знову блокує ген-оператор- робота оперона припиняється. Вона знову відновиться при надходженні індуктора (рис. 10.3).

78

Рис. 10.2. Схема регуляції транскрипції у прокаріот (оперон «не працює»)

Рис. 10.3. Схема регуляції транскрипції у прокаріот (оперон «працює»)

Для кожного оперона є свій специфічний індуктор. Нап иклад, для лактозного оперона індуктором є лактоза, для фруктозного - фруктоза і т.п.

10.7.2. Регуляція роботи генів у еукаріот. Схема регуляції транскрипції у еукаріот розроблена .Г П. Георгієвим (1972). Принцип регуляції (зворотний зв’язок) зберігається, але механізми її більш складні. Одиниця транскрипції у еукаріот називається транскриптоном. Він складається з неінформативної (акцепторної) і інформативної (структурної) зон. Неінформативна зона

починається промотором з ініціатором. Далі ідуть групагенів-операторів, за яких розташована інформативна зона. Інформативна зона утворена структурним

79

геном, розділеним на екзони(інформативні ділянки) і інтрони. (неінформативні ділянки). Закінчується транскриптон термінатором (рис. 10.4).

	Рис. 10.4. Схема регуляції транскрипції у еукаріот
Роботу	транскриптона	регулює	кілька	генів-регуляторів, що	дають

інформацію для синтезу декількох білків-репресорів. Індукторами в клітинах еукаріот є складні молекули(наприклад, гормони), для розщеплення яких потрібно кілька ферментів (багатоступінчасті реакції). Коли індуктори звільняють гени-оператори від білків-репресорів, РНК-полімераза розриває водневі зв’язки між двома ланцюжками ДНК транскриптона і за правилом комплементарності на ньому спочатку синтезується велика молекула проінформаційної РНК, що списує інформацію як з інформативної, так і з неінформативної зон. Надалі в ядрі клітини відбувається процессинг - ферментативне руйнування неінформативної частини

РНК і розщеплення ферментами рестриктазами			інформативної частини н
фрагменти,	що відповідають екзонам. Молекула	іРНК (моноцистронна), що
відповідає	екзонам структурного гена, формується	за	допомогою сплайсинга

(сплавки) окремих інформативних фрагментів ферментами лігазами. Далі і-РНК виходить з ядра, йде в рибосоми, де і відбувається синтез білка-ферменту, необхідного для розщеплення індукторів. Включення і вимикання транскриптона відбувається принципово так само, як і оперона.

У геномі еукаріот зустрічаютьсяунікальні послідовності нуклеотидів

(одна у геномі), що складають від 15 до 98% усього генома (у людини ~ 56%). Унікальна ДНК входить до складу структурних генів і містить інформацію про

80

первинну структуру поліпептидів. Цікаво, що більше половини генів унікальної ДНК неактивні. Наявність неінформативних ділянок (інтронів) у генах еукаріот - універсальне явище. Вважають, що інтрони містять запасну інформацію, що забезпечує мінливість. Крім того, у геномах еукаріот містяться послідовності нуклеотидів, багаторазово повторювані (десятки, сотні і навіть мільйони разів). Повторювані гени виконують різноманітні функції: є промоторами, регулюють реплікацію молекул ДНК, беруть участь у кросинговері, відокремлюють екзони і інтрони й . інЖиттєдіяльність організму обумовлена, основному, функціональною активністю унікальних генів, що, у свою чергу, залежить від стану внутрішнього середовища організму(наприклад, гормонального фона) і умов навколишнього середовища.

Запитання для самоперевірки:

1.Які ви знаєте рівні структурно-функціональної організації спадкового матеріалу? Охарактеризуйте їх.

2.Хто і коли запропонував термін«ген»? Як змінилось визначення поняття «ген», як було з’ясовано, що гени знаходяться в хромосомах?

3.Поясніть чому на сьогодні не є коректним визначення поняття, геняк ділянки ДНК, яка відповідає за синтез молекули білка.

4.Що розуміють під терміном ген, як спадковий фактор? Дайте визначення

поняття ген, як фізичного об’єкта і як джерела інформації.

5. Які ви знаєте властивості генів? Як класифікують гени за місцем локалізації та характером взаємодії у алельній парі?

6.Як поділяють гени за функціонуванням у різних типах клітин?

7.На які групи поділяють гени за функціональним значенням?

8. Охарактеризуйте шлях передачі генетичної інформації в біологічних системах. Як було доповнено центральну догму молекулярної біології з відкриттям зворотної транскриптази?

9.Що таке експресія гена? Які ви знаєте рівні регуляції експресії генів?

10.Яка відмінність у прота еукаріотичному геномах залежно від частки кодуючих послідовностей?

11.За рахунок чого прокаріотична транскрипція і білковий синтез є єдиним

процессом?
12. Охарактеризуйте	особливості	оперонного	принципу	органі
генетичного матеріалу прокаріот.

13.Назвіть принципові відмінності у реалізації генетичної інформації у прота еукаріот.

14.Що таке оперон. Як він функціонує?

15.Поясніть роль індуктора і білка-репресора у роботі оперону.

16.Поясніть принцип роботи генів у еукаріот.

17. Які структурні одиниці входять до неінформативної та інформативної зони транскриптону?

18.Що таке інтрони та екзони? Як називається процес вирізання інтронів і зшивання екзонів?