Молекулярні основи спадковості та мінливості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молекулярні основи спадковості та мінливості



1. Нуклеїнові кислоти, їх будова і функції

Нуклеїнові кислоти - це лінійні нерозгалужені гетерополімерів, мономерами яких є нуклеотиди, пов'язані фосфодиэфирными зв'язками.

Нуклеотиди - це органічні речовини, молекули яких складаються із залишку пентозы (рибозы або дезоксирибозы), до якого ковалентноприєднані залишок фосфорної кислоти та азотисту основу. Азотисті основи в складі нуклеотидів діляться на дві групи: пуринові (аденін і гуанін) іпиримидиновые (цитозин, тимін і урацил). Дезоксирибонуклеотиды включають в свій склад дезоксирибозу і одна з азотистих основ: аденін (А),гуанін (Р), тимін (Т), цитозин (Ц). Рибонуклеотиды включають в свій склад рибозу і одна з азотистих основ: аденін (А), гуанін (Р), урацил (У),цитозин (Ц). генетичний код кислота біосинтез

У ряді випадків у клітинах зустрічаються і різноманітні похідні від перелічених азотистих основ - мінорні підстави, що входять до складу мінорних нуклеотидів.

Вільні нуклеотиди і подібні з ними речовини грають важливу роль в обміні речовин. Наприклад, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) і НАДФ(никотинамидадениндинуклеотидфосфат) служать переносниками електронів і протонів.

Вільні нуклеотиди здатні приєднувати ще 1...2 фосфорні групи, утворюючи макроергічні сполуки. Універсальним джерелом енергії в клітині є АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, що складається з аденіну, рибозы та трьох залишків фосфорної (пирофосфорной) кислоти. При гідролізі однієї кінцевої пирофосфатнойзв'язку виділяється близько 30,6 кДж/моль (або 8,4 ккал/моль) вільної енергії, яка може використовуватися кліткою. Така пірофосфатная зв'язок називаєтьсямакроэргической (високоенергетичної).

Крім АТФ існують і інші макроергічні сполуки на основі нуклеотидів: ГТФ (містить гуанін; бере участь в біосинтезі білків, глюкози), УТФ (містить урацил; бере участь у синтезі полісахаридів).

Нуклеотиди здатні утворювати циклічні форми, наприклад, цАМФ, цЦМФ, цГМФ. Циклічні нуклеотиди виконують роль регуляторів різних фізіологічних процесів.

Нуклеїнові кислоти

Існує два типи нуклеїнових кислот: ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК (рибонуклеїнова кислота). Нуклеїнові кислоти забезпечують зберігання, відтворення і реалізацію генетичної (спадкової) інформації. Ця інформація відображена (закодована) у вигляді нуклеотидних послідовностей. Зокрема, послідовність нуклеотидів відображає первинну структуру білків (см. нижче). Відповідність між амінокислотами і кодирующими їх нуклеотидными послідовностями називається генетичним кодом. Одиницею генетичного коду ДНК і РНК є триплет - послідовність із трьох нуклеотидів.

Нуклеїнові кислоти - це хімічно активні речовини. Вони утворюють різноманітні сполуки з білками - нуклеопротеиды, або нуклеопротеины.

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) - це нуклеїнова кислота, мономерами якого є дезоксирибонуклеотиды. ДНК є первинним носієм спадкової інформації. Це означає, що вся інформація про структуру, функціонування і розвитку окремих клітин і цілісного організму записана у вигляді нуклеотидних послідовностей ДНК.

Нуклеїнові кислоти були відкриті Мишером у 1868 р. Проте лише в 1924 р. Фельген довів, що ДНК є обов'язковим компонентом хромосом. У 1944 р. Евері, Мак-Леод іМак-Карті встановили, що ДНК відіграє вирішальну роль у збереженні, передачі та реалізації спадкової інформації.

Існує кілька типів ДНК: А, В, Z, Т-форми. З них в клітинах зазвичай зустрічається В-форма - подвійна правозакрученная спіраль, яка складається з двох ниток (або ланцюгів), пов'язаних між собою водневими зв'язками. Кожна нитка представлена чергуються залишкамидезоксирибозы і фосфорної кислоти, причому, до дезоксирибозе ковалентно приєднується азотисту основу. При цьому азотисті основи двох ниток ДНК спрямовані один до одного і за рахунок утворення водневих зв'язків утворюють комплементарні пари: А=Т (два водневих зв'язки) і Р?Ц (три водневих зв'язку). Тому нуклеотидні послідовності цих ланцюгів однозначно відповідають один одному. Довжина витка подвійної спіралі дорівнює 3,4 нм, відстань між суміжними парами азотистих основ 0,34 нм, діаметр подвійної спіралі 1,8 нм.

У эукариотических клітинах ДНК існує у вигляді нуклеопротеиновых комплексів, до складу яких входять білки-гистоны.

Довжина ДНК вимірюється числом нуклеотидних пар (сокращ. - пн, або b). Довжина однієї молекули ДНК коливається від кількох тисяч пн(сокращ. - тжн, або Kb) до декількох мільйонів пн (мп н, або Mb).

Розмір геному (мінімальна сумарна довжина ДНК) у різних біологічних видів різна: процесів, що забезпечують відтворення генетичної інформації. В результаті реплікації однієї молекули ДНК утворюється дві нові молекули, які є точною копією вихідної молекули - матриці. Кожна нова молекула складається з двох ланцюгів - однієї з батьківських і однією з сестринських. Такий механізм реплікації ДНК називаєтьсяполуконсервативным.

Реакції, в яких одна молекула гетерополимера служить матрицею (формою) для синтезу іншої молекули гетерополимера з комплементарної структурою, називаються реакціями матричного типу. Якщо в ході реакції утворюються молекули того ж речовини, яка служить матрицею, то реакція називається автокаталитической. Якщо ж в ході реакції на матриці однієї речовини утворюються молекули іншої речовини, то така реакція називається гетерокаталитической. Таким чином, реплікація ДНК (тобто синтез ДНК на матриці ДНК) є автокаталитической реакцією матричного синтезу.

До реакцій матричного типу відносяться, в першу чергу, реплікація ДНК (синтез ДНК на матриці ДНК), транскрипція ДНК (синтез РНК на матриці ДНК) і трансляція РНК (синтез білків на матриці РНК). Однак існують і інші реакції матричного типу, наприклад, синтез РНК на матриці РНК і синтез ДНК на матриці РНК. Два останніх типи реакцій спостерігаються при зараженні клітки певними вірусами. Синтез ДНК на матриці РНК (зворотна транскрипція широко використовується в генній інженерії.

Усі матричні процеси складаються з трьох етапів: ініціації (початку), елонгації (продовження) термінації (закінчення).

Реплікація ДНК - це складний процес, в якому бере участь кілька десятків ферментів. До найважливіших з них відносяться ДНК-полімерази (кілька типів), праймазы, топоізомеразу, лігази та інші. Головна проблема при реплікації ДНК полягає в тому, що в різних ланцюгах однієї молекули залишки фосфорної кислоти направлені в різні боки, але нарощування ланцюгів може відбуватися тільки з того кінця, який закінчується групою ВІН. Тому в реплицируемом ділянці, який називається вилкою реплікації процес реплікації протікає на різних ланцюгах по-різному. На одній з ланцюгів, яка називається ведучою, відбувається безперервний синтез ДНК на матриці ДНК. На інший ланцюга, яка називається запаздывающей, спочатку відбувається зв'язування праймера - специфічного фрагмента РНК. Праймер служить початком для синтезу фрагмента ДНК, який називається фрагментом Оказакі. Надалі праймер видаляється, а фрагменти Оказакі зшиваються між собою в єдину нитку ферменту ДНК-лігази. Реплікація ДНК супроводжується репарацией - виправленням помилок, неминуче виникають при реплікації. Існує безліч механізмів репарації.

Рибонуклеїнова кислота (РНК) - це нуклеїнова кислота, мономерами якого є рибонуклеотиды.

В межах однієї молекули РНК є кілька ділянок, які комплементарны один одному. Між такими комплементарними ділянками утворюються водневі зв'язки. У результаті в одній молекулі РНК чергуються двуспиральные і односпиральные структури, і загальна конформація молекули нагадує конюшиновий лист на черешку.

Азотисті основи, що входять до складу РНК, здатні утворювати водневі зв'язки з комплементарними підставами і ДНК, і РНК. При цьому азотисті підстави утворюють пари А=В, А=Т і Р?Ц. Завдяки цьому можлива передача інформації від ДНК до РНК, від РНК до ДНК і від РНК до білків.

У клітинах виявляється три основні типи РНК, виконують різні функції:

1. Інформаційна, або матрична РНК (иРНК, або мРНК). Становить 5% клітинної РНК. Служить для передачі генетичної інформації від ДНК на рибосоми при біосинтезі білка. У эукариотических клітинах иРНК (мРНК) стабілізована за допомогою специфічних білків. Це робить можливим продовження біосинтезу білка навіть у тому випадку, якщо ядро неактивно.

2. Рибосомна, або рибосомальная РНК (рРНК). Становить 85% клітинної РНК. Входить до складу рибосом, визначає форму великої і малоїрибосомних субодиниць, забезпечує контакт рибосоми з іншими типами РНК.

3. Транспортна РНК (тРНК). Становить 10% клітинної РНК. Транспортує амінокислоти до відповідної ділянки иРНК в рибосомах. Кожен тип тРНК транспортує певну амінокислоту.

У клітинах є й інші типи РНК, що виконують допоміжні функції.

Всі типи РНК утворюється в результаті реакції матричного синтезу. У більшості випадків матрицею служить одна з ланцюгів ДНК. Таким чином, синтез РНК на матриці ДНК є гетерокаталитической реакцією матричного типу. Цей процес називається транскрипцією і контролюється певними ферментами - РНК-полимеразами (транскриптазами).



2. Основні етапи біосинтезу білків

Біосинтез білків в клітинах являє собою послідовність реакцій матричного типу, в ході яких послідовна передача спадкової інформації з одного типу молекул на інший призводить до утворення поліпептидів з генетично обумовленою структурою.

Біосинтез білків являє собою початковий етап реалізації, або експресії генетичної інформації. До основних матричних процесів, які забезпечують біосинтез білків, відносяться транскрипція ДНК і трансляція мРНК. Транскрипція ДНК полягає в переписуванні інформації з ДНК на мРНК (матричну, або інформаційну РНК). Трансляція мРНК полягає в перенесенні інформації з мРНК на поліпептид. Послідовність матричних реакцій при біосинтезі білків можна представити у вигляді схеми.

нетранскрибируемая ланцюг ДНК	А Т Р	Г Г Ц	Т А Т
транскрибируемая ланцюг ДНК	Т А Ц	Ц Ц Г	А Т А
транскрипція ДНК	?	?	?
кодони мРНК	А У Р	Г Г Ц	У А У
трансляція мРНК	?	?	?
антикодоны тРНК	У А Ц	Ц Ц Г	А У А
амінокислоти білка	метіонін	гліцин	тирозин

На схемі видно, що генетична інформація про структуру білка зберігається у вигляді послідовності триплетів ДНК. При цьому лише одна з ланцюгів ДНК служить матрицею для транскрипції (така ланцюг називається транскрибируемой). Друга ланцюг є комплементарної по відношенню до транскрибируемой і не бере участь в синтезі мРНК.

Молекула мРНК служить матрицею для синтезу поліпептиду на рибосомах. Триплети мРНК, що кодують певну амінокислоту, називаютьсякодони. У трансляції беруть участь молекули тРНК. Кожна молекула тРНК містить антикодон - розпізнає триплет, в якому послідовність нуклеотидів комплементарна по відношенню до певного кодону мРНК. Кожна молекула тРНК здатна переносити строго певну амінокислоту. З'єднання тРНК з амінокислотою називається аминоацил-тРНК.

Молекула тРНК за загальною конформації нагадує конюшиновий лист на черешку. «Вершина листа» несе антикодон. Існує 61 тип тРНК з різними антикодонами. До «черешка листка» приєднується амінокислота (існує 20 амінокислот, що беруть участь у синтезі поліпептидів на рибосомах). Кожній молекулі тРНК з певним антикодоном відповідає строго певна амінокислота. У той же час, певної амінокислоти звичайно відповідає кілька типів тРНК з різними антикодонами. Амінокислота ковалентно приєднується до тРНК з допомогою ферментів - аминоацил-тРНК-синтетаз. Ця реакція називається аминоацилированием тРНК.

На рибосомах до певного кодону мРНК з допомогою специфічного білка приєднується антикодон відповідної молекули аминоацил-тРНК. Таке зв'язування мРНК і аминоацил-тРНК називається кодонзависимым. На рибосомах амінокислоти з'єднуються між собою за допомогоюпептидних зв'язків а вивільнені молекули тРНК йдуть на пошуки вільних амінокислот.

Розглянемо докладніше основні етапи біосинтезу білків.

1 етап. Транскрипція ДНК. На транскрибируемой ланцюга ДНК за допомогою ДНК-залежною РНК-полімерази добудовуєтьсякомплементарна ланцюг мРНК. Молекула мРНК є точною копією нетранскрибируемой ланцюги ДНК з тією різницею, що замістьдезоксирибонуклеотидов до її складу входять рибонуклеотиды, до складу яких замість тиміну входить урацил.

2 етап. Процесинг (дозрівання) мРНК. Синтезована молекула мРНК (первинний транскрипт) піддається додатковим перетворень. У більшості випадків вихідна молекула мРНК розрізається на окремі фрагменти. Одні фрагменти - интроны - розщеплюються до нуклеотидів, а інші - экзоны - зшиваються в зрілу мРНК. Процес з'єднання екзонів «без вузликів» називається сплайсинг.

Сплайсинг характерний для еукаріотів і архебактерий, але іноді зустрічається і у прокаріотів. Існує кілька видів сплайсингу. Сутність альтернативного сплайсингу полягає в тому, що одні і ті ж ділянки вихідної мРНК можуть бути і интронами і экзонами. Тоді одному і тому ж ділянці ДНК відповідає кілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька різних форм одного і того ж білка. Сутністьтранс-сплайсингу полягає в з'єднання екзонів, які кодуються різними генами (іноді навіть з різних хромосом), в одну зрілу молекулу мРНК.

3 етап. Трансляція мРНК. Трансляція (як і всі матричні процеси) включає три стадії: ініціацію (початок), элонгацию (продовження) терминацию (закінчення).

Ініціація. Сутність ініціації полягає в утворенні пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами поліпептиду.

Спочатку утворюється ініціюючий комплекс, до складу якого входять: мала субодиниця рибосоми, специфічні білки (фактори ініціації) і спеціальна инициаторная метиониновая тРНК з амінокислотою метіоніном - Мет-тРНКМет. Ініціюючий комплекс дізнається початок мРНК, приєднується до неї і ковзає до точки ініціації (початку) біосинтезу білка: в більшості випадків це стартовий кодонАУГ. Між стартовим кодоном мРНК і антикодоном метіоніновим тРНК відбувається кодонзависимое зв'язування з утворенням водневих зв'язків. Потім відбувається приєднання великої субодиниці рибосоми.

При об'єднанні субодиниць утворюється цілісна рибосома, яка несе два активних центру (сайту): А-ділянку (аминоацильный, який служить для приєднання аминоацил-тРНК) і Р-ділянку (пептидилтрансферазный, який служить для утворення пептидного зв'язку між амінокислотами).

Спочатку Мет-тРНКМет знаходиться на А-ділянці, але потім переміщається на Р-ділянку. На звільнену А-ділянка надходитьаминоацил-тРНК з антикодоном, який комплементарен кодону мРНК, наступного за кодоном АУГ. У нашому прикладі це Глі-тРНКГліз антикодоном ЦЦГ, який комплементарен кодону ГГЦ. В результаті кодонзависимого зв'язування між кодоном мРНК і антикодономаминоацил-тРНК утворюються водневі зв'язки. Таким чином, на рибосомі опиняються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Ковалентний зв'язок між першою амінокислотою (метіоніном) і її тРНК розривається.

Після утворення пептидного зв'язку між двома першими амінокислотами рибосома переміщується на один триплет. В результаті відбувається транслокація (переміщення) инициаторной метіоніновим тРНКМет за межі рибосоми. Воднева зв'язок між стартовим кодоном і антикодоном инициаторной тРНК розривається. В результаті вільна тРНКМет відщеплюється і йде на пошук своєї амінокислоти.

Друга тРНК разом з амінокислотою (у нашому прикладі Глі-тРНКГлі) у результаті виявляється на транслокації Р-ділянці, а А-ділянка звільняється.

Елонгація. Сутність елонгації полягає в приєднанні наступних амінокислот, тобто в нарощуванні поліпептидного ланцюга. Робочий цикл рибосоми в процесі елонгації складається з трьох кроків: кодонзависимого зв'язування мРНК і аминоацил-тРНК на А-ділянці, утворення пептидного зв'язку між амінокислотою і зростаючої поліпептидного ланцюгом і транслокації із звільненням А-ділянки.

На звільнену А-ділянка надходить аминоацил-тРНК з антикодоном, відповідним наступного кодону мРНК (у нашому прикладі це Тир-тРНКТир з антикодоном АУА, який комплементарен кодону УАУ).

На рибосомі опиняються дві амінокислоти, між якими утворюється пептидний зв'язок. Зв'язок між попередньою амінокислотою і її тРНК (в нашому прикладі між гліцином і тРНКГлі) розривається.

Потім рибосома зміщується ще на один триплет, і в результаті транслокації тРНК, яка була на Р-ділянці (у нашому прикладітРНКГлі), опиняється за межами рибосоми і відщеплюється від мРНК. А-ділянка звільняється, і робочий цикл рибосоми починається спочатку.

Термінація. Полягає в закінчення синтезу поліпептидного ланцюга.

Зрештою, рибосома досягає такого кодона мРНК, якій не відповідає жодна тРНК (і ні одна амінокислота). Існує три таких нонсенс-кодона: УАА («охра»), УАГ («янтар»), УГА («опал»). На цих кодонах мРНК робочий цикл рибосоми переривається, і нарощування поліпептиду припиняється. Рибосома під впливом певних білків знову розділяється на субодиниці.

Експресія і регуляція генів

Білки - основні детермінанти фенотипу організму. З них побудовані і ферментативний апарат, який забезпечує метаболічну, енергетичну і біосинтетичні активність всіх клітин, і регуляторні елементи, координуючі ці види активності у відповідь на ендогенні та екзогенні сигнали. Білки є також основними компонентами багатьох структурних елементів, що характеризують морфологію клітини і опосредующих її рух. Говорячи в двох словах, організми - це в кінцевому рахунку ті білки, які вони самі і виробляють.

Постулат "один ген - один поліпептид" створив концептуальну базу для аналізу зв'язку генотипу організму з його фенотипом. Але до вирішення проблеми структурної організації білків і ДНК, тобто до початку 50-х років, ця теорія не мала молекулярної основи. З розробкою нових методів аналізу білкової структури було встановлено, що кожен білок володіє унікальною лінійної амінокислотною послідовністю. Ця послідовність, звана первинної структурою, визначає характер укладки поліпептидного ланцюга з утворенням біологічно активної тривимірної форми. Таким чином, структура білка визначається йогоамінокислотної послідовністю, яка в свою чергу кодується генами. Доказом цього служить той факт, що мутації в гені призводять до зміни амінокислотної послідовності відповідного білка. Більш того, послідовності мутантних сайтів в генах і послідовності змінених амінокислот у відповідних білках колінеарні, тобто порядок їх прямування однаковий. Таким чином, було показано, що лінійне розташування нуклеотидів в ДНК і амінокислот в білках взаємопов'язано, тобто одна з характеристик генетичного коду встановлена.

Ідея генетичного коду увазі існування певного механізму переказу нуклеотидної послідовності ДНК в амінокислотну послідовність білків. З середини 50-х до початку 60-х років молекулярні основи генетичного коду та механізм його розшифровки при складанні поліпептидного ланцюга були встановлені. Розкриття цієї таємниці стало одним з монументальних досягнень молекулярної генетики. Несподівано код виявився дуже простим і абсолютно однаковим для всіх життєвих форм. Більше того, з'ясувалося, що універсальні і загальні правила трансляції генетично закодованих послань.

Генетичний словник складається з 64 кодонів, кожен з яких представлений трьома послідовно розташованими нуклеотидами в ланцюжку ДНК.61 з 64 кодонів кодують амінокислоти, причому кожен триплет - тільки одну амінокислоту. Один з цих триплетів має подвійну функцію: кодує амінокислоту метіонін і позначає початок фрагмента ДНК, що кодує білок. Кожен з трьох інших триплетів може служити сигналом закінчення послідовності, що кодує білок. Генетичний код виродилися, оскільки однією і тією ж амінокислоті може відповідати більш ніж один кодон; але, з іншого боку, код не двозначний, тому що будь-кодон позначає тільки одну амінокислоту. Якщо відомий словник кодонів, то перевести генну послідовність у відповідний білковий продукт не складає труднощів.

Для експресії гена у вигляді білкового продукту спочатку повинна відбутися транскрипція ДНК з утворенням РНК. Цей процес здійснюється за допомогою РНК-полімераз - ферментів, що каталізують синтез ланцюга РНК шляхом копіювання нуклеотидної послідовності одного ланцюга ДНК за допомогою компліментарного спарювання підстав. Гени, що кодують білки, детермінують синтез молекули "месенджер", або матричної РНК, званої так тому, що вона несе генетичну інформацію, закодовану у відповідному сегменті ДНК, і безпосередньо бере участь у складанні білків. Деякі гени не кодують жодних білків. При їх транскрипції утворюються не мРНК, а молекули РНК, необхідні для утворення зрілих РНК різного типу і для трансляції мРНК у білки.

Дослідження взаємодії РНК-полімераз та інших допоміжних білків транскрипції з ДНК розширило наші знання про специфічність і міцності міжмолекулярних взаємодій. Так, було показано, що здійснюються дуже точні молекулярні контакти між білками і специфічними групами нуклеотидів в ДНК, а це в свою чергу відкрило нові перспективи у дослідженні проблем експресії і регуляції генів. Ми коротко прокоментуємо, як такі взаємодії опосередковує регуляцію роботи генів.

У рамках вступної глави неможливо описати такою досконалий процес, як трансляція послідовності нуклеотидів матричної РНК в білкову ланцюг. Він дійсно дуже складний і складається з безлічі повторюваних етапів. Трансляцію молекул мРНК в білки каталізують рібонуклеопротеіновие частки, що містять більше 50 різних білків і три види молекул РНК. Синтез білкового ланцюга починається з приєднання рибосом до матричної РНК. Білкова ланцюг подовжується на одну амінокислоту, коли рибосома просувається уздовж молекули мРНК на один кодон. Ключовий момент трансляції - переклад генетичної інформації, закодованої в триплетних кодонах матричної РНК, в специфічні амінокислоти - залежить від компліментарного спарювання підстав. Кожна амінокислота приєднується до особливої, близької їй транспортної РНК, яка містить триплет, комплементарний кодоновому триплети в матричній РНК. Завдяки парування підстав між кодоном мРНК і антикодоном тРНК потрібна амінокислота займає своє місце в зростаючій поліпептидного ланцюга. За один цикл переміщеннярибосоми по всій довжині молекули мРНК, що кодує даний білок, утворюється одна молекула цього білка.

Вивчення експресії генів - тільки один з аспектів дослідження механізму їх дії. Інше пов'язане з регуляторними процесами, контролюючими час і ступінь експресії при різних умовах. Не дивно, що прогрес у розумінні механізму транскрипції і трансляції дозволив прояснити і проблему регулювання. Так, було показано, що у бактерій регуляція експресії генів відбувається диференційовано. Дійсно, при деяких умовах багато гени не експресуються зовсім, а ступінь експресії інших різниться на порядки. Однак зміна умов може призводити до активації мовчали раніше генів і, навпаки, до репресії активних. Це надає клітинам широкі можливості для мінливості, що забезпечує пристосованість їх фенотипів до умов середовища.

Експресія генів зазвичай регулюється на рівні освіти РНК. Як правило, ініціація транскрипції регулюється або репрессорнимі білками, блокуючими транскрипцію, або активаторний, необхідними для її запуску. У першому випадку експресія починається після зняття репресії в результаті модифікації білка-репрессора. У другому ген транскрибується тільки в тому випадку, якщо активаторний білок знаходиться у відповідному функціональному стані. Репрессорние і активаторний білки - не єдині засоби регулювання транскрипції. У деяких випадках білки - продукти генної експресії - самі служать регуляторами транскрипції власних генів. Відомі також випадки, коли на ефективність транскрипції впливають структурні зміни в ДНК. Освіта РНК може регулюватися і шляхом контролю швидкості елонгації або місця її закінчення, тобто транскрибувати може весь ген або якась його частина при наявності специфічного стоп-сигналу. Експресія генів може також регулюватися на рівні трансляції матричної РНК в білки. У цьому випадку специфічна регуляція теж зазвичай здійснюється на початкових етапах процесу декодування.



3. Регуляція експресії генів

3.1 Загальні принципи регуляції експресії генів

Активність генів визначається обсягом генопродуктов (РНК і білків). Ступінь активності генів називається їх експресією.

Всі гени клітини (і цілісного організму) можна розділити на дві групи: регуляторні та структурні. Регуляторні гени не транскрибуються, тобто у звичайних умовах їм не відповідає жоден з типів РНК. Структурні гени здатні транскрибироваться з утворенням РНК (матричної,рибосомальною, транспортної). У свою чергу, поділяються на структурні гени конститутивні і индуцибельные.

Конститутивні гени постійно включені: вони функціонують на всіх стадіях онтогенезу і у всіх тканинах. До конститутивним відносяться гени, які обслуговують матричні процеси (кодують тРНК, рРНК, ДНК-полімерази, РНК-полімерази, рибосомальные білки), гени, що кодують обов'язкові структурні компоненти клітини (наприклад, білки-гистоны), гени, контролюючі постійно протікають обмінні процеси (наприклад, гліколіз). Інакше кажучи, це «гени домашнього господарства», без яких клітини не можуть існувати.

Индуцибельные гени функціонують в різних тканинах на певних етапах онтогенезу, вони можуть включатися і вимикатися, їх активність може регулюватися за принципом «більше чи менше». Це тканеспецифичные гени, або «гени розкоші». До индуцибельным генам відносяться як гени, які контролюють хід онтогенезу (перемикачі, або диспетчери), так і гени, які прямо визначають структуру і функції компонентів клітини і цілісного організму.

(Потрібно зазначити, що суворої різниці між перерахованими групами генів не існує, оскільки один і той же ділянку ДНК може виконувати різні функції.

Існують индуцибельные гени, в нормі включені, і гени, що в нормі вимкнені. Включення нормально вимкнених індуцибельних генів називається індукцією, вимикання нормально включених - репресією.

Регулювання активності генів здійснюють молекулярно-генетичні системи управління. На індукцію і репресію можуть впливати різноманітні чинники, які називаються ефекторами. Одні з них прямо закодовані в геномі організму (наприклад, білки теплового шоку; див. нижче), інші утворюються як проміжні продукти обміну речовин, треті надходять у клітину ззовні в готовому вигляді із зовнішнього середовища або з інших клітин (тканин) організму, четверті утворюються в клітині під впливом фізичних факторів (високих температур, ультрафіолету) і т.д. Особливу групу складають ефекторів білки теплового шоку, які синтезуються в клітині при різних видах стресу (при підвищенні температури, при дії інших несприятливих факторів). Ці білки еволюційно консервативні, вони виявлені в самих різних організмів; ймовірно, вони є універсальними ефекторами.

Саме регуляцією активності генів пояснюється той факт, що, незважаючи на ідентичність генотипів клітин многоклеточного організму, вони значно різняться за будовою і функції. Переключення синтезу з одних білків на інші лежить в основі будь-якого розвитку, будь то репродукція вірусів в заражених клітинах, ріст і спороутворення у бактерій, розвиток ембріонів або диференціювання тканин. На кожному етапі цих процесів синтезуються специфічні білки.

Відомо кілька типів механізмів, за допомогою яких один і той же набір генів в неоднакових умовах життєдіяльності організму і на різних стадіях розвитку детермінує синтез білків. Регуляція експресії (вирази) генів може здійснюватися на кількох рівнях: генному, транскрипционном, трансляционном і функціональному. Перший з них пов'язаний зі зміною кількості або локалізації генів, контролюючих даний ознака. Другий визначає, які і скільки мРНК повинні синтезуватися в даний момент. Третій забезпечує відбір мРНК, що транслюються на рибосомах. Четвертий пов'язаний з алостеричній регуляцією активності ферментів. Нарешті, контроль дії генів може здійснюватися шляхом посттрансляційноїмодифікації поліпептидів, посттранскрипционной модифікації мРНК, та іншими шляхами.

Перш ніж детально проаналізувати перераховані механізми регуляції експресії генів, розглянемо детальніше транскрипційний рівень регуляції, щодо якого є велика кількість даних, отриманих головним чином на бактеріях.

3.2 Регуляція експресії генів у прокаріотів

Перемикання генів найкраще вивчено у прокаріотів (бактерій). Розглянемо механізми регуляції активності генів на прикладі лактозногооперона кишкової палички (Escherichia coli) - класичного об'єкта генетики мікроорганізмів. Одиницею регуляції експресії генів у прокаріотів єоперон.

Оперон - це ділянка бактеріальної хромосоми, що включає наступні ділянки ДНК: Р - промпротор, Про - оператор, Z, Y, А - структурні гени, Т- термінатор. (До складу інших оперонов може входити до 10 структурних генів і більш.)

Промотор - це регуляторний ділянка ДНК, який служить для приєднання РНК-полімерази до молекулі ДНК. В лактозном опероне приєднання РНК-полімерази відбувається за допомогою комплексу CAP-цАМФ (CAP - це специфічний білок; у вільній формі є неактивним активатором, цАМФ - циклоаденозинмонофосфат - циклічна форма аденозинмонофосфорной кислоти).

Оператор - це регуляторний ділянка ДНК, який здатний приєднувати білок-репрессор, який кодується відповідним геном lac. Якщо репрессор приєднаний до оператора, то РНК-полімераза не може рухатися вздовж молекули ДНК і синтезувати мРНК.

Структурні гени кодують три ферменту, необхідні для розщеплення лактози (молочного цукру) на глюкозу і галактозу. Молочний цукор лактоза - менш цінний продукт харчування, ніж глюкоза, тому в присутності глюкози зброджування лактози є невигідним для бактерії процесом. Однак при відсутності глюкози бактерія змушена переходити на харчування лактозою, для чого синтезує відповідні ферменти Z (в-галактозидазу), Y (галактозидпермеазу), А (тиогалактозидтрансацетилазу).

Термінатор - це регуляторний ділянка ДНК, який служить для від'єднання РНК-полімерази після закінчення синтезу мРНК, відповідної ферментам Z, Y, А, необхідним для засвоєння лактози.

Для регуляції роботи оперона необхідний ген cya, який кодує білок CYA, який каталізує утворення цАМФ з АТФ, Якщо в клітці є глюкоза, білок CYA вступає з нею в реакцію і переходить в неактивну форму. Таким чином, глюкоза блокує синтез цАМФ і робить неможливим приєднання РНК-полімерази до промотору. Отже, глюкоза є репрессором лактозного оперона.

Якщо ж у клітці є лактоза, то вона взаємодіє з білком-репрессором і перетворює його в неактивну форму. Білок-репрессор, пов'язаний з лактозою, не може приєднатися до оператора і не перегороджує шлях РНК-полимеразе. Таким чином, лактоза є індуктором лактозного оперона.

Припустимо, що спочатку в клітці є тільки глюкоза. Тоді білок-репрессор приєднаний до оператора, а РНК-полімераза не може приєднатися до промотору. Оперон не працює, структурні гени вимкнені.

При появі в клітці лактози і за наявності глюкози білок-репрессор відщеплюється від оператора і відкриває шлях РНК-полимеразе. ОднакРНК-полімераза не може приєднатися до промотору, оскільки глюкоза блокує синтез цАМФ. Оперон як і раніше не працює, структурні гени вимкнені.

Якщо ж у клітці є тільки лактоза, то білок-репрессор зв'язується з лактозою, відщеплюється і відкриває шлях РНК-полимеразе. У відсутності глюкози білок CYA каталізує синтез цАМФ і РНК-полімераза приєднується до промотору. Структурні гени включаються, РНК-полімеразасинтезує мРНК, з якої транслюються ферменти, що забезпечують зброджування лактози.

Таким чином, лактозный оперон перебуває під подвійним контролем індуктора (лактози) і репрессора (глюкози).

Загальні принципи регуляції активності генів

Крім лактозного оперона, у кишкової палички добре вивчені і інші опероны: триптофановый (trp), гистидиновый (his) та інші.

Загальні принципи регуляції активності генів у оперонах розробили Франсуа Жакоб і Жак Моно (1961; Нобелівська премія 1965). Згідно концепції Жакоба-Моно, одиницею регуляції активності генів у прокаріотів є оперон. Транскрипція групи структурних генів, регулюється двома елементами - геном-регулятором і оператором. Оператор часто локалізується між промотором і структурними генами; ген-регулятор може локалізуватися поруч з опероном або на деякій відстані від нього.

Якщо продуктом гена-регулятора є білок-репрессор, його приєднання до оператору блокує транскрипцію структурних генів, перешкоджаючи приєднанню РНК-полімерази до специфічної ділянки - промотору, необхідному для ініціації транскрипції. Навпаки, якщо білком-регулятором служить активний апоиндуктор, його приєднання до оператора створює умови для ініціації транскрипції. В регуляції роботи оперонов беруть участь також низькомолекулярні речовини - ефектори, виступаючі як індуктори або корепрессоры структурних генів, що входять до складу оперонов.

Розрізняють індуковані (включаються) і репрессируемые (вимикає) опероны залежно від типу впливу на їх роботу молекул-ефекторів.

У індукованих оперонов ефектор приєднується до білка-репрессору і блокує його зв'язування з оператором, перешкоджаючи транскрипції структурних генів. Такий тип регуляції роботи оперона називають негативним. При негативному контролі ефектор, який є корепрессором, приєднується до неактивного репрессору і активує його. В результаті репрессор набуває здатність приєднуватися до оператора і тим самим блокувати транскрипцію оперона. Таким чином, при негативному контролі ефектор зв'язується з репрессором, що призводить до його інактивації або активації і відповідно індукує або репресує транскрипцію оперона.

Поряд з цим, індуковані опероны можуть перебувати під позитивним контролем регулювання, при якому ефектор зв'язується з регуляторним білком і активує його. Активний апоиндуктор приєднується до оператора, що забезпечує можливість транскрипції оперона. Обидва типи контролю регуляції діють і щодо репресованих оперонов. При позитивному контролі функціонування репрессируемого оперона корепрессорзв'язується з активним апоиндуктором. Такий комплекс не може приєднуватися до оператора, і структурні гени не транскрибуються. При позитивному контролі ефектор приєднується не до репрессору, а до апоиндуктору, що дозволяє, або, навпаки, блокує транскрипцію в залежності від того, яку форму (активний або неактивний) набуває апоиндуктор в результаті зв'язування з ефекторів. Оскільки при транскрипції оперона, що складається з кількох структурних генів, утворюється один загальний транскрипт у вигляді молекули полицистронной мРНК, всі ці гени експресуються координовано.

Особливі типи регуляції активності генів

У прокаріотів процеси транскрипції (синтез мРНК на матриці ДНК з допомогою РНК-полімерази) і трансляції (синтезу білка на матриці мРНК при участі рибосом і тРНК) тісно пов'язані між собою: синтез матриці мРНК ще не закінчений, а синтез білка на цій матриці вже починається. Таким чином, мРНК одночасно пов'язана і з РНК-полімеразою і з рибосомой.

В результаті регуляція активності деяких оперонов (наприклад, his-оперона) часто пов'язана з активністю спеціального контролюючого елемента - аттенюатора (від англ. attenuate - послаблювати), що представляє собою лидерный ділянка ДНК, локалізований у разі his-оперона між оператором і першим структурним геном. У присутності корепрессора (особливим чином модифікованою гистидинового тРНК) аттенюатор забезпечує терминацию (обрив синтезу) мРНК на початку оперона і, таким чином, транскрипції структурних генів не відбувається.

Атенюатори широко поширені серед прокаріотів. Однак поряд з аттенюаторами, виконують функцію негативно чинного регулятора транскрипції, існує і позитивний регулятор his-оперона, присутність якого полегшує приєднання РНК-полімерази до промотору.

Слід додати, що транскрипція може здійснюватися з різних промоторів. Розрізняють сильні промотори, до яких РНК-полімеразаприєднується порівняно легко, і слабкі промотори, до яких РНК-полімераза приєднується тільки з допомогою допоміжних часток (їх зазвичай позначаються символом у). Чим більше промоторів задіяно в процесі транскрипції, тим більше утворюється РНК. Точно також існують термінатори з різним ступенем спорідненості до РНК-полимеразе. Від одних термінаторів РНК-полімераза від'єднується без особливих труднощів, а від інших - з допомогою допоміжних часток (їх зазвичай позначають символом с).

Біологічне значення оперонов

З одного боку, оперонная організація дає перевагу з точки зору регуляції генів, об'єднані функціонально. Однак оперонная організація не відображає генезису генів, так як гени в оперонах не є спорідненими за походженням. Тому для клітини проблема скоріше в тому, щоб диференціювати дію єдиної регуляторної системи на кожний окремий ген.

Об'єднання функціонально близьких генів у опероны, мабуть, поступово склалося в еволюції бактерій з тієї причини, що у них перенесення генетичної інформації зазвичай здійснюється невеликими порціями (наприклад, при трансдукції або за допомогою плазмід). Значення має саме по собі зчеплення функціонально споріднених генів, що дозволяє бактеріям купувати необхідну функцію в один етап.

3.3 Регуляція експресії генів у вищих еукаріотів

Найважливіша особливість функціонально-генетичної організації еукаріотів - відсутність у них оперонов, подібних оперонам бактерій. Однакпромоторные і терминаторные ділянки у еукаріотів є; більш того, вони більш різноманітні, ніж у прокаріотів. Однак структурні гени, контролюючі послідовні етапи метаболічного процесу, можуть перебувати у еукаріотів в різних ділянках однієї хромосоми або навіть в різних хромосомах. Фізико-хімічний та електронно-мікроскопічний аналіз знов синтезованої РНК показує, що вона складається із величезних молекул довжиною в кілька десятків тисяч нуклеотидів. Тому правильніше говорити про функціональну генетичної одиниці у еукаріотів як протранскриптоне (Г.П. Георгієв), тобто ділянці ДНК, з якого зчитується єдина безперервна молекула РНК. Доведено, що у відповідь на дію зазначених індукторів активується ціла батарея структурних генів, серед яких знаходяться гени, що кодують певні білки, так і гени рРНК і тРНК.

Поряд зі звичайними нуклеотидными послідовностями промоторной і терминаторной областей транскрипції у еукаріотів виявлені такі специфічні елементи регуляції, як підсилювачі (энхансеры), і глушники (сайленсеры).

Энхансеры - це ділянки ДНК, які діють як підсилювачі транскрипції, перебуваючи на відстані кількох сотень і навіть тисяч пар нуклеотидів від регульованого гена; в інших випадках энхансеры знаходяться в самих структурних генах у складі інтронів. Ймовірно, механізм дії енхансерівпов'язаний зі зміною нуклеосомной структури хроматину. Сайленсеры - це ділянки ДНК, які, розташовуючись в декількох сотнях пар нуклеотидів до або після регульованого гена, вимикає транскрипцію, змінюючи структуру хроматину. Існують мутації, які не зачіпаючи сам глушник, роблять його неактивним і тим самим «дозволяють» транскрипцію з промотора регульованого гена.

Істотна особливість генетичної регуляції у клітинах еукаріотів полягає в тому, що процес транскрипції залежить від стану хроматину. Зокрема локальна компактизация ДНК в її окремих ділянках повністю блокує синтез РНК. Ймовірно, це пов'язано з тим, що в такі області не може проникнути РНК-полімераза.

Сам факт тотальної регуляції дії генів в даний час не викликає сумнівів. Активність генів оцінюється за кількістю типів генних продуктів (РНК-вих копій) в цитоплазмі. Це питання було досліджено на клітинах людини лінії HeLa - «стандартної» ракової тканини, культивованоїin vitro протягом десятків років. Геном клітин HeLa вважається сильно дерепрессированным, тобто в них функціонує значно більша (близько 35 тис.) число генів, ніж у звичайних соматичних клітинах, хоча це не означає, що клітини HeLa виробляють настільки ж велика кількість кінцевих генних продуктів - поліпептидів. Виявилося, що з функціональної активності гени клітин HeLa можуть відрізнятися майже на чотири порядки. Так, існує близько 10...12 генів, представлених 12...13 тис. РНК-вих копій, і кілька десятків генів, яких у цитоплазмі відповідають поодинокі молекули мРНК.

Регуляція активності генів в ході онтогенезу у еукаріотів

Клітини різних тканин рослин і тварин відрізняються один від одного головним чином тим, що в них відбувається синтез різних груп білків, що і визначає їх структурну і функціональну специфіку. Таким чином, проблема генетичного контролю індивідуального розвитку тісно пов'язана з проблемою диференційної експресії генів. Експресія генів залежить від факторів зовнішнього та внутрішнього середовища і, в той же час, знаходиться під контролем генотипу. Наприклад, відомі особливі гомеозисные гени, які контролюють експресію інших генів.

Експресія генів закономірно змінюється в ході онтогенезу. В якості прикладу розглянемо зміна структури гемоглобіну у людини. Гемоглобін - тетрамерный білок, до складу якого входять чотири поліпептидних ланцюги і чотири молекули гема. Кожна молекулагема містить один атом заліза, що зв'язує одну молекулу молекулу кисню або вуглекислого газу. Дві поліпептидних ланцюги, що входять до складу одного тетрамера, носять загальна назва б, а дві - загальна назва в. В цілому структура тетрамера описується формулою б2в2. Проте ця загальна формула потребує уточнення. Поліпептиди типу б представлені двома підтипами - ж і а. Обидва підтипу кодуються дуплицированными генами, локалізованими в 16-й хромосомі, однак гени ж експресуються в ранньому ембріогенезі, а гени б - переважно у плодів та у дорослих організмів. Поліпептиди типу в представлені підтипами е, г, д, в. Кодують їх гени розташовані в 11-й хромосомі в зазначеному порядку, який відповідає порядку їх експресії: ген е експресується на ранніх стадіях розвитку ембріонів, г - у плода, д - у новонароджених, в - у дорослих. В цілому «дорослий» гемоглобін складається з чотирьох ланцюгів (двох ланцюгів б і двох ланцюгів в) і описується формулою б2в2. Однак експресія гена д у дорослої людини повністю не припиняється, і близько 1% в-ланцюгів заміщено на гемоглобін д (дитячий гемоглобін).

Регуляція експресії генів в ході онтогенезу здійснюється на різних рівнях: генному, транскрипционном, посттранскрипционном, трансляционном і посттрансляционном (функціональному).



4. Регуляція експресії генів на генному рівні

4.1 Модифікація ДНК (заміна мажорних «звичайних» азотистих основ - аденіну, гуаніна, і цитозіна тиміну - на мінорні «рідкісні» азотисті основи, зазвичай на метил-цитозин або метил-гуанін). Доведено, що метилювання цитозина істотно впливає на експресію генів. Наприклад, активні гени гемоглобіну менше метилированы, ніж неактивні.

4.2 Збільшення обсягу ДНК в клітині шляхом диференціальної ампліфікації ДНК або за рахунок утворення политенных хромосом

Диференціальна (виборча, або селективна) ампліфікація ДНК, яка полягає в багаторазовому копіюванні окремих генів, наприклад, генів рРНК. Це явище спостерігається у прокаріотів, а також у еукаріотів, наприклад, в ооцитах багатьох тварин, зокрема, у амфібій. Ампліфікація пов'язана із збільшенням обсягу яйця в сотні і тисячі разів. Щоб заповнити такий величезний об'єм клітини рибосомами, гени рДНК самі збільшуються в числі настільки, що, наприклад, у шпорцевой жаби після закінчення ампліфікації зміст рДНК майже дорівнює кількості ДНК, укладеним в диплоидном наборі хромосом. Кількість ядерець (органоїдів, що контролюють утворення рибосом) зростає з 2 одиниць до 1,5 тис. Ампліфікація рРНК відбувається і при мегаспорогенезе у рослин. (Чудова особливість молекулярного механізму ампліфікації полягає в тому, що він здійснюється за принципом котиться кільця - як у прокаріотів. Одна з копій гена рДНК залишає хромосому, перетворюється вэкстрахромосомную копію, потім замикається в кільце, з якого як би витягується хвіст довжиною в кілька десятків мікрометрів. Потім ця структура знову циклизуется, утворюючи велике кільце, на основі якого формується ядерце.)

Іншим механізмом збільшення обсягу ДНК в клітині є освіта политенных хромосом, наприклад, у слинних залозах личинок двокрилих комах, у клітинах зародкового мішка Покритонасінних рослин. Часткова политения виявлена і у ссавців: відбувається багаторазове подвоєння не всієї молекули ДНК, а тільки деяких її ділянок.

4.3 Різні випадки програмованих кількісних змін ДНК

Прикладом регулювання, обумовленої транспозицією, служить феномен зміни фаз(типу джгутиків) у сальмонел. Діючий в клітинах сальмонел перемикач містить промотор, який може змінювати свою просторову орієнтацію. В одній орієнтації промотор забезпечує транскрипцію гена Н2, що кодує синтез джгутиків одного типу, з одночасною репресією гена H1, кодує синтез джгутиків іншого типу. У протилежної орієнтації промотору ген Н2 не експресується, в той час як експресія гена H1 стає можливою.

4.4 Сплайсинг ДНК. Регулювання, пов'язана з сплайсингом ДНК, вивчена на прикладі генів, що кодують синтез антитіл

Відомо, що різноманітні чужорідні речовини - антигени, що потрапляють в наш організм, - зв'язуються особливими білками - антитілами, або імуноглобулінами. Ссавці можуть продукувати до мільйона різних антитіл, які виробляються Т - і В-лімфоцитами імунної системи. Існує особливий розділ генетики - иммуногенетика- який вивчає генетичний контроль імунної відповіді. Основу молекул імуноглобулінів становить складний білок, що складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів - двох важких (Н) і двох легких (L), пов'язаних дисульфідними містками. Обидва типи ланцюгів мають константные (С) і вариабельные (V) ділянки. Центр зв'язування антигену утворюють вариабельные ділянки Н - та L-ланцюгів. Механізм об'єднання константных і варіабельних ділянок в одній і тій же поліпептидного ланцюга детально вивчений. Доведено, що у ембріонів фрагменти ДНК, що кодують V - і С-ділянки, просторово розділені. При розвитку системи імунітету у хребетних тварин і людини відбувається диференціювання лімфоцитів, в ході якої гени, що кодують V - і С-ділянки, перебудовуються таким чином, що в результаті вони виявляються частинами одного і того ж гена, транскрибируемого як ціле. Таким чином, сплайсинг ДНК забезпечує зшивання консервативних (тобто постійно присутніх) районів цих генів з різними варіюються. В результаті з'являється велика кількість типів антитіл, оскільки будь-яка консервативна область може бути приєднана до будь варьирующей.

4.5 Диминуция хроматину

У деяких організмів (у аскарид, циклопів) в соматичних клітинах відбувається незворотна втрата частини генетичного матеріалу (від 20 до 80% ДНК). У повному обсязі вихідна генетична інформація зберігається тільки в клітинах зародкового шляху, тобто в клітинах, які дадуть надалі початок статевим клітинам. Саме гамети містять всю повноту генетичної інформації даного виду і складають безперервний, потенційно безсмертний зародковий шлях. Смертні соматичні клітини індивідуумів, що представляють собою як би відгалуження від зародкового шляху, що виникають після запліднення. А. Вайсман вважав диминуцию хроматину універсальним механізмом диференціювання клітин і тканин, проте надалі було показано, що цей спосіб диференціювання зустрічається досить рідко. Наприклад, подібне явище спостерігається у інфузорій: диплоидном микронуклеусе повністю зберігається вихідний набір генів, а у поліплоїдних макронуклеусе ~10% генів (правда, за рахунок поліплоїдизації залишилася інформація багаторазово дублюється).

4.6 Зміна активності цілих хромосом

Відомо, що у самок ссавців в каріотипі присутні дві X-хромосоми, а у самців одна X- і одна Y-хромосома. Незважаючи на те, що жіночі особини ссавців мають дві Х-хромосоми, а чоловічі - тільки одну, експресія генів Х-хромосоми відбувається на одному і тому ж рівні у обох статей. Це пояснюється тим, що у самок в кожній клітині повністю інактивована одна Х-хромосома. Цю хромосому можна бачити в інтерфазі у формі гетерохроматинового тельця, названого тільцем Барра. Х-хромосома інактивується на ранній стадії ембріонального розвитку, що відповідає часу імплантації. При цьому в різних клітинах батьківська і материнська Х-хромосоми вимикаються випадково. Стан інактивації даноїХ-хромосому успадковується в ряді клітинних поділів. Таким чином, жіночі особини, гетерозиготні за геном статевих хромосом, являють собою мозаїки. Широко відомий приклад прояву такої мозаїчності - черепахові " кішки, мають чорні і жовті плями. Ці кішки гетерозиготны по гену ЗY /ЗB (CY - жовтий хутро, ЗB - чорний хутро). Жовті та чорні плями у них розвиваються в результаті випадкової інактивації в ранньому ембріогенезі Х-хромосомою з алелем ЗB або CY. Черепахову забарвлення майже завжди мають кішки, якщо ж зрідка виявляються коти такого забарвлення, то вони мають хромосомну конституції XXY.



5. Регуляція експресії генів на рівні транскрипції

У багатьох випадках диференціювання відбувається шляхом регуляції транскрипції мРНК. Інтенсивне функціонування окремих генів або їх блоків відповідає певним етапам розвитку і диференціювання.

При вивченні гігантських политенных хромосом (у слинних залозах личинок дрозофіл) і петель в хромосомах типу «лампових щіток» (в ооцитах на стадії профазы I) було встановлено, що мРНК синтезується з різною швидкістю в різних ділянках хромосом, зокрема, освіта пуфів і петель пов'язано з підвищенням інтенсивності синтезу мРНК.

Динаміка утворення пуфів. У гігантських политенных хромосомах часто спостерігаються здуття певних районів хромосом, обумовленідекомпактизацией окремих дисків і інтенсивним синтезом в них РНК. Ці здуття називаються пуфи (або кільця Бальбіані). Пуфи являють собою місця інтенсивного синтезу мРНК. Динаміка утворення пуфів на гігантських хромосомах в процесі розвитку двокрилих є відображенням зміни активності генів. Формування комплексів пуфів, характерних для клітин окремих тканин і органів диференційованого організму, є показником загального рівня найбільш інтенсивно протікають метаболічних процесів в даних клітинах. При зниженні синтетичної активності петлі синтезована мРНК відокремлюється від хромосоми і пуфи политенных хромосом зникають.

Встановлена роль стероїдних гормонів (зокрема, экдизона - гормону окукливания) в індукції пуфів, а також роль білків, синтезованих ранніми пуфами, індукції пізніх пуфів. Таким чином, стероїдні гормони і білки, ймовірно, не єдині фактори, відповідальні за перемикання генів в онтогенезі, а, отже, і за зміну фаз індивідуального розвитку організму. Механізм утворення пуфів показаний на рис. _____. Доведено, що після введення цього гормону молодим личинкам досить швидко виникають специфічні пуфи, причому тривалість їх утворення залежить від кількості введеного гормону.

Послідовність освіти пуфів змінюється також при впливах різними хімічними агентами або температурними умовами. Деякі антибіотики, які впливають на обмін РНК (наприклад, актиноміцин), пригнічують утворення пуфів, а антибіотики, які інгібують синтез білка (наприклад,пуромицин), не впливають на цей процес. Отже, активність пуфів знаходиться під контролем гормональних факторів (закодованих в генотипі) і чинників зовнішнього середовища.