Регуляция экспрессии (активности) генов
Экспрессия генов может осуществляться путем регуляции сродства промотора к РНК-полимеразе. Это осуществляется с помощью позитивной и негативной регуляции:
1) позитивная регуляция у прокариот осуществляется с помощью индуктора, в роли которого выступает субстрат (лактоза), который может связывается с белком-репрессором, кодируемым геном-регулятором. В этом случае, РНК-полимераза присоединяется к промотору и, двигаясь вдоль структурных генов, осуществляет синтез мРНК.
Помимо индуктора, позитивная регуляция может осуществяляться с помощью САР и цАМФ. Так, промотор лактозного оперона способен связывать не только РНК-полимеразу, но и особый белок-активатор катаболизма (САР) в комплексе с циклическим АМФ. Присутствие САР и цАМФ вызывает не репрессию, а напротив, активирование транскрипции. Без САР РНК-полимераза не может связаться с промотором и начать транскрипцию. САР, образовав комплекс с цАМФ, активизируется и только после этого присоединяется к своему сайту (САР-участку) на промоторе, многократно (почти в 50 раз) усиливая транскрипцию генов lac-оперона. При этом транскрипция возможна только в присутствии лактозы, когда оператор не блокирован репрессором. В случае присутствия в среде глюкозы, концентрация цАМФ в клетке резко снижается, и не образуется комплекса цАМФ с САР. В результате этого РНК-полимераза не может связаться с промотором и lac-гены не транскрибируются.
2) негативная регуляция для lac-оперона осуществляется с помощью белка-репрессора, который, присоединяясь в гену-оператору, блокирует передвижение РНК-полимеразы вдоль структурных генов. Вследствие этого биосинтез белка не происходит.
Регуляция активности генов у эукариот может осуществляться с помощью участков ДНК, расположенных на значительном (1000 и более пар оснований) расстоянии от промотора. Энхансеры («усилители») – последовательности ДНК, служащие в качестве специфических участков связывания регуляторных белков, активизирующих процесс транскрипции. Сайленсеры («глушители») – участки ДНК, которые, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции. Вероятно, влияние этих элементов на транскрипцию связано с изменением топологии цепей ДНК, в частности с образованием петель, что приближает регуляторные последовательности к промоторам, с которыми они взаимодействуют с помощью белковых факторов.
Механизм образования и виды мутаций
Мутации - непредсказуемые скачкообразные изменения генотипа (генома, хромосом или генов).
Классификации мутаций:
По изменению генотипа: генные, хромосомные, геномные.
По влиянию на жизнеспособность: летальные, полулетальные, нейтральные.
По поведению в гетерозиготе: доминантные и рецессивные.
По отношению к генеративному пути: соматические (возникают в обычных клетках тела и не наследуются) и генеративные (в половых клетках, поэтому наследуются).
По локализации в клетке: ядерные (в ДНК ядра) и цитоплазматические (в ДНК митохондрий и пластид).
По причине, вызывающей мутацию: спонтанные (причина не ясна) и индуцированные (вызываются мутагенами).
Генные (точковые) мутации — связаны с изменением последовательности нуклеотидов в гене. Единица генных мутаций - нуклеотид.
Механизмы генных мутаций:
Первый механизм связан с изменением числа нуклеотидов (дупликация, делеция). В связи с тем, что генетический код не имеет знаков препинания, меняется состав всех кодирующих триплетов после места мутации. Это приводит к замене многих аминокислот и синтезу белка с совершенно другой первичной структурой, а значит, и с другими свойствами, что может оказаться губительно для организма.
Второй механизм связан с заменой одного нуклеотида на другой. При этом меняется состав только одного триплета, что может привести к изменению только одной аминокислоты в белке (и то не всегда, так как генетический код вырожден). Замена одной аминокислоты не всегда существенно сказывается на изменении свойств белка (особенно, если она по свойствам близка к исходной).
Виды генных мутаций (изменения структурных генов):
1) мутации сдвига рамки считывания – вставка или делеция любого числа пар нуклеотидов, которое не кратно трем. Подобные изменения генерируют бессмысленный кодон в рамке считывания, что вызывает преждевременное завершение биосинтеза белка.
2) транзиция – замена азотистых оснований: пуриновое на пуриновое (А↔Г), пиримидиновое на пиримидиновое (Т↔Ц), при этом изменяется тот кодон, в котором произошла транзиция.
3) трансверсия – замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот (А↔Ц, Г↔Т), изменяется тот кодон, в котором произошла трансверсия.
Результаты изменений структурных генов.
Белок-репрессор не соответствует гену-оператору («ключ не входит в замочную скважину») - структурные гены работают постоянно (белки синтезируются все время).
Белок-репрессор плотно «присоединяется» к гену-оператору и не снимается индуктором («ключ не выходит из замочной скважины») - структурные гены постоянно не работают и не синтезируются белки, закодированные в данном транскриптоне.
Нарушение чередования репрессии и индукции - при отсутствии индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии белок не синтезируется. Вышеназванные нарушения работы транскриптонов связаны с мутациями гена-регулятора или гена-оператора.
Генные мутации в большинстве случаев проявляются фенотипически и являются причиной нарушения обмена веществ (генных болезней), частота проявления которых в популяциях человека 2-4%.
Хромосомные мутации (аберрации) - изменения структуры хромосом. Различают внутри- и межхромосомные аберрации. Единица хромосомных мутаций - ген.
Геномные мутации – связаны с изменением числа хромосом в геноме – гаплоидном наборе хромосом. Единица геномных мутаций – хромосома.
Виды геномных мутаций:
Полиплоидия (эуплоидия) - изменение числа хромосом, кратное гаплоидному набору.
Гетероплоидия (анэуплоидия) - изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору. В результате возникают явления:
- полисомии (2n+?) – увеличение числа копий одной или нескольких хромосом.
- трисомии (2n+1),
- моносомии (2n-1),
- нулесомии (2n-2).
Гетероплоидия обычно сопровождается серьезными наследственными аномалиями, часто несовместимыми с жизнью.