4. Гипотеза «один ген – один фермент», ее современная трактовка.

В 1902 году Арчибальд Гаррод, изучая наследственные болезни, связанные с дефектом обмена веществ, предположил, что за синтез определённого фермента отвечает один ген (гипотеза один ген – один фермент). Позднее Бидл и Тейтем (Татум) экспериментально доказали это положение.

В конце 40-х годов ученые установили, что синтез всех белков (а не только ферментов) находится под контролем генов. Гипотеза приобрела вид: один ген – один белок.

Однако с открытием мультимерных белков (молекула таких белков состоит из нескольких полипептидных цепей) встал вопрос: один ген кодирует синтез всех цепей или каждая полипептидная цепь кодируется своим геном?

В 1957г Ингрэм установил, что причина серповидно-клеточной анемии – генная мутация, приводящая к замене в молекуле гемоглобина в 6 положении глутаминовой кислоты на валин.

Белок гемоглобина человека (глобин) состоит из двух α-цепей и двух β- цепей. Замена аминокислоты всегда наблюдается только в β-цепи, а α-цепь остаётся нормальной. Следовательно, мутировавший ген кодирует только одну цепь, а вторая цепь кодируется другим геном. Позже выяснили, что гены, кодирующие α-цепь находятся в 16 хромосоме, а гены, кодирующие β-цепь находятся в 11 хромосоме.

Гипотеза приобрела вид: один ген – одна полипептидная цепь.

5. Регуляция экспрессии генов у прокариот и эукариот.

Впервые регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции была изучена у прокариот в 1961 году французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно. Они предложили модель оперона. Оперон – это группа тесно сцепленных генов, находящихся под контролем общего промотора и общего оператора и транскрибируемых как единая мРНК. Оперон находится под контролем гена регулятора. Известно, что последовательности нуклеотидов оператора и промотора перекрываются, а ген регулятор может находиться в другом опероне. У прокариот мРНК является полицистронной, т е. она может быть использована для синтеза нескольких белков.

Ген регулятор кодирует синтез белка репрессора. Этот белок взаимодействует с оператором и блокирует его. Если заблокирован оператор, то блокируется и часть промотора. РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поэтому транскрипция не происходит и синтез белка не идёт. Это не активное состояние оперона.

При связывании белка репрессора ген оператор и промотор открыты, РНК-полимераза начинает процесс транскрипции, и происходит синтез белка.

Что же связывает белок репрессор?

-- вещества, которые могут находиться в клетке или поступающие в неё извне.

Эти вещества называются индукторами (индукция – наведение, запуск). Допустим, что индуктором является поступившая в клетку глюкоза. Индуктор связывается с белком репрессором и блокирует его. Теперь ген оператор освобождается от белка репрессора и запускает процесс синтеза белка фермента, который будет переваривать глюкозу. Такое состояние оперона называется активным. Синтез белка будет идти до тех пор, пока образовавшийся белок (фермент) не переварит всю глюкозу. При этом освобождается репрессор, который блокирует ген оператор и прекращает процесс транскрипции.

У эукариот выделяют несколько уровней регуляции экспрессии генов.

• на уровне инициации транскрипции

• на уровне процессинга первичного транскрипта в зрелую мРНК

• РНК – интерференция

• на уровне трансляции

• посттрансляционные механизмы регуляции (на уровне процессинга белка)

Регуляция экспрессии генов на уровне инициации транскрипции.

В этом процессе принимают участие дополнительные регуляторные элементы: промоторы, энхансеры, сайленсеры и инсуляторы.

• промоторы – последовательности нуклеотидов, расположенные близко от кодирующих последовательностей гена. Промоторы связывают РНК полимеразу.

• энхансеры (усилители) и сайленсеры (глушители). Они могут располагаться от гена на расстоянии в несколько тысяч пар нуклеотидов. Их действие основано на связывании со специфическими белками-регуляторами. Белок-регулятор может усиливать (в энхансере) или ослаблять (в сайленсере) инициацию транскрипции путём изменения активности промотора.

Энхансеры в свою очередь находятся под контролем инсуляторов. Инсуляторы – последовательности ДНК, которые способны блокировать взаимодействие между энхансером и промотором, но только в том случае, если находятся между ними.

Регуляция экспрессии генов на уровне процессинга.

Это регуляция функциональных генов в результате альтернативного сплайсинга. При альтернативном сплайсинге образуются различные формы мРНК из одного и того же гена и, как результат, образование разных белков (изоформ белка)

РНК–интерференция – подавление экспрессии генов у эукариот на посттранскрипционном уровне, вызванное короткими интерферирующими РНК (миРНК). Регуляторные малые интерферирующее РНК – это двухцепочные РНК длиной 19-25 п.н., которые вызывают разрушение мРНК. Они дают сигнал ферментам (эндонуклеазам), которые разрушают мРНК, а, значит, блокируют трансляцию и прекращают работу генов. РНК–интерференция обнаружена у большинства эукариотов, включая человека.

Регуляция экспрессии генов на уровне трансляции осуществляется в трёх вариантах. позитивной и негативной регуляции.

1. позитивная регуляция осуществляется на основе сродства мРНК с факторами инициации. Факторы инициации (специфические белки) катализируют образование инициаторного комплекса.

2. негативная регуляция осуществляется с помощью белков-репрессоров, которые связываясь с мРНК, блокируют инициацию трансляции.

3. подавление трансляции с помощью регуляторных микроРНК, которые связываются с мРНК-мишенью, блокируют трансляцию и запускают процесс разрушения мРНК. мкРНК – одноцепочные РНК длиной 18-24 нуклеотида, кодируемые специальными генами.

Посттрансляционные механизмы регуляции.

Синтезируемые при трансляции полипептиды подвергаются многочисленным превращениям и модификациям:

• сборка белка (фолдинг) – процесс, при котором белок принимает характерную для его функционирования пространственную структуру

• отщепление фрагментов полипептидной цепи

• химические изменения белка, заключающиеся в присоединении фосфатной группы (фосфорилирование), ацетильной группы СН₃ – СО – (ацетилирование) или остатков сахаров – пентоз или гексоз (гликозилирование).

• достижение места своего функционирования

6. Классификация генов: структурные и регуляторные.

Все гены клетки в организме можно разделить на 2 группы, это:

– структурные гены, которые отвечают за все белки организма, за рРНК, и тРНК.

– регуляторные гены, которые соответственно регулируют работу структурных генов.

7. Цитоплазматическая наследственность.

Главная роль в передаче наследственных свойства принадлежит хромосомам. С ними связаны закономерности, открытые Г. Менделем. Но ряд органоидов, расположенных в цитоплазме содержит ДНК (митохондрии, пластиды). Их ДНК способна к репликации, и с ней может быть связана передача цитоплазматической наследственности. Существуют сорта львиного зева, ночной красавицы и некоторых других растений, у которых наряду с зелёными листьями встречаются пёстрые, с белыми пятнами – участкам, лишёнными хлорофилла. В связи с тем, что организм, образуемый вследствие оплодотворения, получает цитоплазматические структуры главным образом от яйцеклетки, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии.

В клетках прокариот и эукариот обнаруживаются плазмиды – отрезки ДНК, имеющие кольцевую или линейную форму и способные к самостоятельной (независимо от ядра) репликации.

У бактерии наблюдается передача плазмид от клетки к клетке при их непосредственном контакте, а распределение их по дочерним клеткам при делении происходит случайно. Наличие плазмид может обеспечивать устойчивость бактерий к определённым антибиотикам. У растений и животных плазмиды могут существенно влиять на свойства многоклеточного организма.

ЛЕКЦИЯ 9 Фенотипическая и генотипическая изменчивость.