Регуляция генной активности

• Все клетки любого организма имеют полный набор генов , свойственных данному организму

• Клетки разных тканей и органов отличаются по набору имеющихся в них белков ; даже в одной клетке на разных этапах онтогенеза синтезируются и функционируют разные белки

• Разные типы клеток кроме белков , необходимых любой клетке организма , синтезируют свой набор специализированных белков , что приводит к появлению клеток со специфическими структурами и особыми функциями , т. е. к дифференцировке ( дифференцировка связана с производством большого количества белков одного или всего нескольких типов и почти всегда необратима )

• Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов

• Располагая полной генетической информацией , каждая клетка на определённом этапе развития использует лишь ту её часть , которая необходима в данный момент для отправления её функций

• Каждая клетка располагает генетическими механизмами , определяющими , какие гены и в какой последовательности должны транскрибироваться , т. е. способна регулировать активность ( экспрессию ) генов

Регуляция действия генов ( генетический контроль экспрессии генов ) – способность клетки избирательно увеличивать или уменьшать ( индуцировать или репрессировать ) экспрессию генов ( синтез определённых белков )

• Регуляция экспрессии генов возможна на уровне её этапов : транскрипции и трансляции

Регуляция на уровне транскрипции ( регуляция синтеза молекул мРНК )

• Среднее время жизни молекул мРНК ограничено , затем они расщепляются до нуклеотидов ; разрушая старые мРНК и образуя новые , клетки могут строго регулировать как тип продуцируемых белков , так и их количество

• Регуляция синтеза белка на уровне транскрипции у бактерий ( прокариот ) может осуществлятся согласно концепции оперона ( предложена французскими микробиологами Ф. Жакоб и Ж. Моно , 1961 г. , Нобелевская приемия 1985 г. )

Концепция оперона

Оперон – участок ДНК , транскрипция которого осуществляется на одну молекулу мРНК под контролем одного специального белка-регулятора

• В состав оперона входят структурные гены и регуляторные элементы ( не путать с геном-регулятором )

Структурные гены – гены , кодирующие белки – ферменты , осуществляющие биосинтез какого-либо вещества

• Этих генов может быть один или несколько

• Они тесно сцеплены друг с другом и в ходе транскрипции работают как один единый ген : на них синтезируется одна общая молекула мРНК , которая лишь потом расщепляется на несколько мРНК , соответствующих отдельным генам

Регуляторные элементы ( промотор , оператор , терминатор )

1. Промотор – начальный участок оперона для связывания фермента , осуществляющего транскрипцию ДНК – РНК-полимеразы

• Представляет собой короткую последовательность из нескольких десятков нуклеотидов ДНК , с которой связывается РНК-полимераза

• Определяет , какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза мРНК

• Является местом начала транскрипции

2. Оператор – участок связывания регуляторного белка

• Отрезок ДНК в 20 нуклеотидов , следующий за промотором и регулирующий синтез мРНК

3. Терминатор – участок в конце оперона , содержащий стоп-кодон и сигнализирующий о прекращении транскрипции

• Прекращает продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона

• На работу оператора данного оперона влияет самостоятельный ген-регулятор , синтезирующий соответствующий регуляторный белок

Ген-регулятор – ген , синтезирующий белки-регуляторы , обуславливающие активность оператора ( его включение в процесс транскрипции )

• Ген-регулятор может располагаться далеко от оперона или рядом на одной молекуле ДНК

• Может регулировать транскрипцию нескольких оперонов

• Ген-регулятор имеет собственный промотор и терминатор

• Регуляторные белки бывают двух типов : белок-активатор или белок-репрессор ; они присоединяются к определённым нуклеотидным последовательностям ДНК оператора , что либо препятствует транскрипции генов ( негативная регуляция ) , либо способствует ей ( позитивная регуляция )

Белок-репрессор – препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору ДНК и блокирует транскрипцию

Белок-активатор – облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором , что обеспечивает транскрипцию гена

• На работу регуляторных белков могут влиять вещества из окружающей среды , проникающие в клетку – эффекторы : связываясь с регуляторными белками они меняют их пространственную структуру , что либо повышает , либо снижает их сродство к ДНК и таким путём либо включает , либо выключает транскрипцию генов

Оперонная регуляция синтеза белка

Г ен-регулятор О п е р о н

Ген-регулятор Промотор Оператор А В С Терминатор

Транскрипция Т р а с к р и п ц и я

мРНК

Б елок-регулятор Т р а с л я ц и я

Эффектор Белок А Белок В Белок С

Регуляция на уровне трансляции

• Количество определённого фермента ( белка ) в клетке может регулируется наличием реактивного субстрата ( веществ , взаимодействие между которыми катализирует данный фермент ) , т. е. синтез ( трансляция ) фермента идёт активно только в случае эти вещества присутствуют в клетке и прекращается , когда они удаляются из клетки

• Такой тип регуляции синтеза фермента называется индукцией , а вещество , вызывающее этот синтез - индуктором