Гендерінің экспрессиялануының (активтенуінің) реттелу механизмдері

Зерттеулердің нәтижесінде Жакоб және Моно индукция және репрессия құбылыстарын яғни гендер жұмысының іске қосылуымен тоқтатылу механизмін ұсынды. Яғни прокариот және эукариот гендерінің экспрессиясын реттелу механизмі. Гендер өнімінің синтезін бақылау механизмдері жалпы атпен гендік реттелу деп аталады.

Геннің (немесе ДНҚ учаскелерінің) өнімдері – транскрипция нәтижесінде синтезделетін РНҚ түрлері: ақпараттық РНҚ (а-РНҚ), рибосомалық РНҚ (р-РНҚ), тасымалдаушы РНҚ (т-РНҚ), кіші ядролық РНҚ (кя-РНҚ)-лар және тағы басқалары жатады. Ақпараттық РНҚ-да белок молекулаларының биосинтезі жайлы ақпарат жазылған болады. Белоктар (полипептидтер) құрылымдық белоктар, ферменттер мен реттеуші белоктар болып бөлінеді. Құрылымдық белоктар жасушалар мен мүшелердің құрылыстық негізін құрайды. Ферменттер ағзадағы зат алмасуды қамтамасыз етеді. Реттеуші белоктар құрылымдық гендердің активтілігін күшейтіп, мөмендетіп немесе мұлде басып тастап әсер етеді.

Прокариоттар мен эукариоттар гендері активтілігінің реттелуі 3 деңгейде жүреді:

1. Транскрипция

2. Трансляция

3. Посттрансляциялық деңгей

Прокариоттар мен эукариоттар гендері активтілігін реттеуші жүйелерінде бір-бірінен аздаған ғана айырмашылықтары болады, прокариоттар негізінде табиғатта емін-еркін тіршілік ететін бір жасушалы ағзалар. Олар коректік заттары бар қолайлы ортада үздіксіз бөлініп көбее алады. Қолайлы ортада олардың бөлініп көбеюі мен өсу жылдамдығын гендер активтілігінің реттеуші жүелері қамтамасыз етеді. Осыған ұқсас реттеуші жүйелер емін-еркін тіршілік ететін бір жасушалы эукариоттарға да тән.

Тұқым қуалаушылықтың материалы – ДНҚ молекуласы, негізінен ядрода шоғырланған, ал белок биосинтезі цитоплазмада – рибосомада жүреді. Сонда, ДНҚ молекуласының бойына «жазылған» ақпарат 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 гендердің активтігіне (экспрессиялануына) байланысты екені айдан анық. Жасушада белок биосинтезі екі саты арқылы жүзеге асады – транскрипция және трансляция. Транскрипция дегеніміз – геннің экспрессиялануы (активтенуі) нәтижесінде а-РНҚ молекуласының синтезделуі, яғни ДНҚ молекуласындағы 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 белсенділіген және даму кезеңіне, екіншіден, гендердің экспрессиялануының реттелу механизмдеріне байланысты болады. Сондықтан да, бір мезгілде әр түрлі жасушаларда түрліше гендер транскрипцияланады және ағзаның дамуцының 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 аталады. 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 гендер ден құрылған 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 – Escherichia coli өте қолайлы объект болады. Escherichia coli 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 қажет. β-галактозидаза ферменті дисахарид – лактозаны галактозаға және глюкозаға ыдыратады.

Лактозалық оперондағы (Lac – оперон) құрылымдық гендер ұш цистроннан тұрады: Z, Y, A. Бұл гендердің әнімі – (ферменттер) лактоза қантын ыдыратуға қатысады.

Z – гені 3063 жұп нуклеотидтен (ж.н) тұрады. Ол лактозаны глюкоза мен галактозаға дейін ыдырайтын β-галактозидаза ферментінің синтезін бақылайды.

Y – гені 500 ж.н. тұрады, ның өнімі – фермент галактозид – пермеаза. Бұл ферменттің қызметі жасушаның мембранасымен байланысып лактозаның жасушаға сіңірңлуін қамтамасыз етеді.

А – гені 800 ж.н. құралған, өнімі – тигалактозид – ацетилаза ферменті. Бұл фермент ацетил –Ко А-дан ацетил тобын β-галактозидаза жеткізіп лактозаның толық ыдырауына қатынасады.

Lac – оперон қызметін генетикалық бақылайтын механизмнің болатынын мутация жүргізу арқылы зерттеген. Мутация нәтижесінде тіршілік ортасында лактозаның бар-жоқтығына байланыссыз ферменттердің үшеуі де синтезделгені байқалды.

Escherichia coli жасушасында β-галактозидаза ферментінің синтезделуі қоректік ортада лактоза болған жағдайда индукцияланады, ал оның мөлшері азайса не мүлдем болмаса бұл ферменттің синтезделу қарқыны да азаяды не тоқталады. β-галактозидаза ферменті синтезделу үшін Escherichia coli ДНҚ-сындағы Lac-Z деген ген транскрипция ланып, оның а-РНҚ-сы түзілуі қажет. β-галактозидаза ферментінің синтезделу қарқыны индукцияланғаннан кейін 1000 есеге дейін көбейеді және ол қоректік ортада индукторлактоза болса бур деңгейде ұзақ уақыт сақталынады. β-галактозидаза ферментінің лактозадан басқа индукторы ретінде 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 деңгейде 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 синтезделеді.

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

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

Ф. Жакоб және Ж. Моно өздерінің тәжірибелері нәтижесінде мынадай болжам жасады: Z+, Y+, A+ кластерлі гендердің транскрипциялануы оператор (О+) деп аталатын геннің бақылауында болады, ал оператордың қызметі, өз кезегінде, репрессор деп аталатын (І+) ген арқылы реттелінеді. Репроссор екі тұрлі қызмет атқарады:

1. егер ортада индуктор (лактоза, аллалактоза) болмаса оның өнімі – репрессор-ақуыз молекулалары, операторды (О+) «тығындап! әрі қарай Z+, Y+, A+ гендеріне ақпаратты өткізбей, олардың транскрипциялануын болдырмайды;

2. ал егер ортада индуктор (лактоза, аллалактоза) болатын боса, онда индуктор молекулалары (лактоза, не аллалактоза) репрессор-ақуыз молекулаларына жабысып, қосылып оларды активсіздендіреді, сондықтан активсізденген репрессор молекулалары операторды (О+) «тығындап» жаба алмай, ақпарат әрі қарай Z+, Y+, A+ гендеріне өтіп олардың транскрипциялануына «рұқсат» беріледі. Осы гендердің транскрициялануы промотор учаскесінен басталады.

Ф. Жакоб, Ж. Моно – Z+, Y+, A+ гендерін және оператор промотор учаскелерін оперон деп атаған. Олар гендердің қосылып өшірілу механизмін түсіндіретін оперон гипотизасын ұсынды. Бұл гипотиза бойынша бір метоболизмдік жолға қатысатын ферменттердіің синтезін анықтады. Құрылымдық гендер ДНҚ да қатарынан орналасып бір реттеуші генмен реттеледі. Ол ген реттеуші белокты кодтайды. Оперон дегеніміз – промотордан, оператордан және бір немесе бірнеше құрылымдық гендерден тұратын транскрипцияның және генетикалық белсенділікті реттеу бірлігі.

Сонымен, гендердің экспрессиялануының реттелуіне 3 түрлі 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 реттеуші 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 гипотезасын теория күйінде болжамдаған болатын. Ал қазіргі кезде оперон теориясының шындығы көптеген тәжірибелер арқылы дәлелденген. Мысалы,таза күйінде репрессорды бөліп алып зерттеп оның ақуыз екендігі дәлелденді; репрессор молекуласындағы амин қышқылдарының реті анықталып, оның І+ геніндегі нуклеотидтер тізбегінің кодына колинеарлы болатындығы анықталды. Сонымен қатар , реттеуші ақуыздардың ДНҚ молекуласының реттеуші аймақтарымен нақтылы байланысатындығы анықталды. Мысалы, 3,2 х 106 нуклеотид жұбынан тұратын Escherichia coli ДНҚ-сының ішінен Lac – репрессор тандап тек қана белгілі бір нуклеотидтер тізбегімен (оператор) байланысады, ал оның ұзындығы не бары 24 нуклеотид жұбына тең.