Молекулярні основи спадковості

Зміст

Молекулярні основи спадковості

Хромосоми

Клітинний цикл

Мейоз і утворення гамет

Будова хромосом

Спадкування одиночних ознак

Незалежна сегрегація і незалежне комбінування

Зв'язок між генами і хромосомами

Рекомбінація

Зв'язок між генами і білками

Гени і ДНК

Перенесення генетичної інформації в клітині

Структура та збереження геномної ДНК

Експресія і регуляція генів

Молекулярні основи спадковості

Систематичне вивчення спадковості починалося зіскладних в генетичному відношенні об'єктів - рослин і тварин. Завдяки цимраннім дослідженням була сформульована концепція неподільного гена якфункціональної одиниці спадковості і прийнято положення, що перенесення геніввід одного покоління до іншого підданий дії різних випадкових факторів. Однакдо розуміння хімічної природи генів і механізму їх функціонування було щедалеко. Дослідження генетичних молекул і тонких механізмів регуляціїспадковості стало можливим лише тоді, коли в якості експериментальнихмоделей почали використовуватися бактерії і віруси, про існування яких першігенетики навіть не підозрювали. Тільки завдяки цим організмам вперше булопоказано, що дезоксирибонуклеїнова кислота, рибонуклеїнова кислота і білок -універсальні детермінанти генетичного поведінки. Стрімкість подальшогопрогресу в цій області і переконливість отриманих результатів сталиреальними завдяки особливим біологічними властивостями мікроорганізмів, якідозволяли проводити маніпуляції, необхідні для аналізу генетичних структур.Аналогічні аналітичні дослідження більш складних генетичних систем тодібули неможливі, тому на тварин і рослини цей прогрес непоширювався. Розвиток технології рекомбінантних ДНК зруйнувалотруднопреодолімие технічні та концептуальні бар'єри на шляху розшифровки ірозуміння складних генетичних систем. Не дивно, що наші погляди наструктуру і функцію генів значно змінилися, а нове мислення в своючергу радикально змінило перспективи біології.

Деякі передумови останніх досягнень можна виявити,вивчаючи історію створення фундаментальних положень про спадковість і їхподальших змін. Основною перешкодою на шляху формування єдинихпринципів спадковості служило виключне різноманітність живих форм. Першим,хто простежив аналогії між процесами відтворення тварин і рослин таввів слова "самець" і "самка" стосовно до учасниківцього процесу, був учень Аристотеля - Теофраст. Ще раніше грецькі філософиV в., Погляди яких зробили помітний вплив на подальший розвитокнаукових ідей, прийшли до висновку, що, оскільки діти схожі на обохбатьків, обидві статі вносять певний внесок у формування нового індивідуума.Вони вважали, що цим внеском є ​​свого роду інформація,сконцентрована в чоловічому чи жіночому "насіння" і що надійшла тудиз різних частин тіла зрілих індивідуумів. Демокріт, думка якого не булозагальноприйнятим, припустив, що інформація укладена в частинках, розмір, форма ібудова яких впливають на властивості потомства.

На початку XIX в., після створення більш досконалихмікроскопів, основний уніфікує одиницею в біології стала клітка. Всіорганізми могли розглядатися як одиночні, вільно живуть клітини або якспільнота клітин. Постійне вдосконалення оптичних систем мікроскопа іноваторські методи підготовки і фарбування матеріалу дозволяли все більшдетально описувати вміст клітин не мають ядра. Було встановлено, що новіклітини з'являються тільки в результаті поділу предсуществующіх клітин.

В даний час всі живі організми поділяють на двігрупи. Перша-еукаріоти - багатоклітинні організми, клітини яких містятьоформлене ядро; всередині ядра укладені хромосоми-хранителі генетичноїінформації. Друга - прокаріоти - представлена ​​одноклітинними бактеріями,позбавленими ядра, з хромосомами, що знаходяться в цитоплазмі. За небагатьмавинятками, всі клітини багатоклітинного організму містять однаковий повнийнабір хромосом. Еукаріотичні організми мають більш складну будову і, якправило, містять більше генетичної інформації. Крім того, еукаріотиздатні до щирого статевою відтворенню і для багатьох з них цей спосібобов'язковий для освіти потомства. Одним з важливих моментів процесустатевого розмноження є наявність у дочірніх ядрах двох копій кожноїхромосоми; такі еукаріотичні клітини називаються диплоїдними. Прокаріоти,містять тільки одну хромосому, називаються гаплоїдії. При деякихобставинах у прокаріотів спостерігаються процеси, аналогічні по результатупроцесу запліднення у еукаріотів, внаслідок яких вони можуть стати частководиплоїдними; ці процеси широко використовуються в генетичних дослідженнях.

Відразу після прийняття клітинної теорії у вивченні живихорганізмів виділилися три напрямки: дослідження хромосом, статистичнийаналіз успадкування одиночних ознак, виділення та характеристика компонентівхромосом.

В анафазі пари сестринських хроматид розділяються і коженчлен пари рухається в напрямку до полюса веретена. В цей же час і ниткиверетена, і клітина починають розтягуватися. Коли в телофазі хроматиди досягаютьпротилежних полюсів, навколо кожного набору хроматид формується новаядерна оболонка і починається деконденсація хромосом. Нарешті, плазматичнамембрана розділяє два ядра і навколишнє цитоплазму на дві клітини. Хромосоминабувають розтягнуту, дифузну форму, типову для інтерфази, і процесділення починається снова.Б. Мікрофотографії мітозу в клітинах лілії Haemanthus katherinae.Клітини пофарбовані іммунозолотом/сріблом. Збільшення 600. правління паралельнорозвивалися і перетворювалися на важливі наукові дисципліни до моменту їх злиття всередині нашого століття.

Хромосоми

У другій половині XIX ст. тривало детальне вивченняморфології і поведінки хромосом. Виявилося, що у всіх клітинах будь-якогоорганізму, за одним лише суттєвим винятком, міститься одне і те ж,цілком певна кількість хромосом. Наприклад, плодова мушка Dro-sophila melanogasterмає 8 хромосом, людина і кажан-46, пшениця-20, носоріг - 84. Хромосомина основі подібності їх морфології можуть бути розділені на гомологічні пари: 4пари у D. melanogaster, 23 - улюдини і т.д. Мікроскопічне дослідження фіксованих і забарвлених клітиндає лише статичну картинку, але ці картинки можна розташувати в тимчасовійпослідовності, починаючи з моменту утворення клітини при діленні і кінчаючиїї поділом на дві собі подібні. І тоді стає очевидним, що дуплікаціякожної хромосоми, яка відбувається в циклі клітинного поділу, призводить до подвоєннячисла хромосом. При розподілі цей подвоєний набір розподіляється таким чином,що кожна з двох дочірніх клітин отримує таке ж число і тип хромосом, щоі батьківська клітина. Весь процес в цілому називається митозом.

Клітинний цикл

Події, що відбуваються в період від одного клітинного поділудо іншого, називаються клітинним циклом. Фаза мітозу циклу охоплює періодділення і хромосом, і клітин. Після розбіжності клітин кожна дочірня кліткавступає в період підвищеної биосинтетической активності - в так звану Gj-фазу. Gj-фаза закінчується передпочатком подвоєння хромосом, або, в молекулярних термінах, з початком дуплікаціїхромосомної ДНК; період реплікації геному називається фазою синтезу. З моментузавершення S-фази в клітинах ініціюються події,характерні для мітотичної профази,-частини циклу, званої Gj-фазою.Зрештою знову починаються мітоз і цитокинез, і цикл повторюється. Якправило, G r , S - і G 2 -періоди,разом складові інтерфазу, займають близько 90% часу клітинного циклу, аМ-фаза - менше 10%. Повний час проходження клітинного циклу в клітинах різноготипу сильно варіює залежно від умов росту. Основним показникомтривалості всього циклу є тривалість Gj-фази.Наприклад, спокою:

Клітинний цикл: мітоз і цитокинез складають М-фазу циклу,кульмінацією якої є утворення двох дочірніх клітин. Кожна дочірняклітка набуває G 1 -період інтерфази і може ...розпочати новий клітиннийцикл. За періодом G 1 слід S-фаза, під час якої ДНК і хромосоми дупліціруются, ідалі - фаза G 2 . Початок мітозу означає кінецьінтерфази. Покояться клітини затримуються в фазі G 1 і, як кажуть, знаходяться у фазі G 0 . Зазвичайеукаріотичні клітини, які не зупинилися у фазі G 0 ,завершують цикл за 24 год

Мейоз: етапи ділення диплоїдної клітини на чотири гаплоїднідочірні клітини. Цей процес відрізняється від мітозу тим, що включає дваклітинних ділення і тільки один "раунд" реплікації хромосом. На схеміпоказані дві пари гомологічних хромосом. Під час інтерфази хромосоми мають виглядтонких дифузних ниток. Після реплікації сестринські хроматиди залишаються тіснопов'язаними і починають конденсуватися, що вказує на початок профази. Потімгомологічні пари сестринських хро-матид приходять в тісне зіткнення,утворюючи тетради; цей процес називається Синапсис. Початок мейотіческойметафази I характеризується подальшою конденсацією хромосом і дезінтеграцієюядерної мембрани. В анафазі I члени гомологічноюпарисестринських хроматид починають переміщатися до різних полюсів подовжується клітини.До кінця телофази I і клітинного поділу I утворюються дві дочірні клітини, в кожній з яких єпо одній гомологічною парі сестринських хроматид. Другий раунд клітинногоділення відбувається без додаткової дуплікації хромосом і починається зпрофази II, з переходом в метафазі II.У стадії анафази II дві сестринські хроматиди, якізалишалися до цього моменту разом, починають переміщатися до протилежнихкінцям подовжується клітини. Після телофази II і клітинного поділу IIутворюються чотири гаплоїдні клітини - попередники статевих клітин. У кожнудочірню клітину потрапляє лише по одній хромосомі із вихідних гомологічнихпар.

Мейоз і утворення гамет

Освіта яйцеклітин і сперматозоїдів увазізменшення нормального числа хромосом рівно вполовину; цей процес називаєтьсямейозом. Гамети, або статеві клітини, гаплоїдний, тобто в них міститься по одномучлену кожної пари гомологічних хромосом, і, таким чином, тільки половиннечисло хромосом кожного з батьків потрапляє в усі інші, соматичні,клітини організму нащадка. Розподіл хромосом в мейозі відбувається випадково,тому будь-який з членів гомологічноюпари може виявитися у зновуутворилися зародкових клітинах.

При заплідненні гаплоїдні набори хромосом сперматозоїдіві яйцеклітин об'єднуються. Таким чином відновлюється повний набіргомологічних хромосомних пар, кожен з членів яких стався з яйцеклітиниі з сперматозоїда відповідних батьків. Диплоидное станзаплідненої яйцеклітини підтримується далі у всіх соматичних клітинахмеханізмом мітотичного поділу. Іноді зрілі організми можуть розвинутися знезапліднених гаплоїдний яйцеклітин або з запліднених яйцеклітин знеповним набором батьківських хромосом. Як уже зазначалося, будь-який з членівгомологічноюпари може потрапити у функціональну гамету. У зрілу яйцеклітинуабо сперматозоїд потрапляє по одному члену кожної пари в процесі редукції числахромосом в мейозі.

Будова хромосом

Найлегше спостерігати метафазні хромосоми. Під мікроскопомїх фотографують або замальовують. У цій стадії хромосоми найбільшсконденсірованни і утворюють дискретні структури. У багатьох організмівіндивідуальні хромосоми і їх гомологи легко помітні за розміром і формою. Кожнаметафазних хромосома дійсно складається з двох ідентичних частин,званих сестринськими хроматидами, оскільки дуплікація хромосомної ДНКпротікає якраз перед метафаз, в S-фазі клітинногоциклу.

У хромосоми є перетяжка, звана Центромера. ПоложенняЦентромера для кожної хромосоми суворо визначено. З Центромера пов'язаніспецифічні хромосомні функції; це остання крапка, що з'єднує плечісестринських хроматид перед повним розбіжністю при митотическом або II мейотичному поділі. Самі плечі мають вигляд
окремих утворень задовго до розбіжності центромер в анафазі.

Освіта гаплоїдний гамет при мейозі і злиття двох гаметз утворенням диплоїдної клітини при заплідненні. Зверніть увагу на те,що у D. melanogaster,розглянутої тут як приклад, як і в інших організмів, включаючиссавців, дві статеві хромосоми у самця не гомологични один одному. Примейозі формуються два типи сперматозоїдів, з яких один несе Х-, а інший- Y-хромосому. У самок, несучих пару Х-хромосом, врезультаті мейозу утворюються гамети одного типу. Стать нащадків залежить від того,яку з хромосом - X або Y - несутьзапліднюючі сперматозоїди. У деяких організмів негомологічних, визначальнупідлогу хромосому несе самка.

Різниця між областю Центромера і плечима хромосомстає очевидним після обробки певними барвниками. Післяфарбування Центромера виглядають більш щільними і компактними в порівнянні зплечима. Такі щільні, інтенсивно офарблюються хромосомні області називаютьсяГетерохроматіновие. Гетерохроматин Центромера можна спостерігати післяфарбування навіть в погано помітних інтерфазних хромосомах. Інші,негетерохроматіновие області хромосом прийнято називати еухроматіновие. Еухроматіновиеобласті забарвлюються набагато менш інтенсивно, ніж Гетерохроматіновие.

Кінцеві ділянки хромосом називаються теломерами. Часто вонитеж Гетерохроматіновие. Нерідко в мітотичних хромосомах можна спостерігатиневеликі перетяжки, звані районом ядерцевих організатора. Вмейотіческіх хромосомах вони мають вигляд потовщень. В межах даного виду райониядерцевих організаторів зустрічаються на одній або декількох специфічниххромосомах, і якщо вони є, то завжди знаходяться в одному і тому ж місці. У G 1 -фазіклітинного циклу деякі ядерцеві організатори починають розростатися; якщоїх більше, ніж один, то такі розрослися області об'єднуються в одну абокілька великих, майже сферичних структур - нуклеоламі. Цей малюнокдостовірно відтворюється, і кожну хромосому в наборі можна ідентифікувати.На рис. I.9 представлений повний набір прометафазниххромосом у клітині людини. На цьому зображенні, званому каріотипомлюдини, відображені відносний розмір і форма хромосом поряд з положеннямЦентромера і характерним видом смуг.

В інтерфазі хромосоми сильно розтягуються і, як правило,не видні. Зустрічаються, однак, і суттєві винятки, які вже багато роківінтенсивно досліджуються. Секреторні клітини личинок деяких комах розростаютьсядо величезних розмірів і проходять кілька S-фаз безмітозу і клітинного поділу. В результаті формується комплекс з безлічі,іноді аж до тисячі, хроматид, які залишаються зчепленими і лежать поручодин з одним, утворюючи товсті нитки, звані політеннимі хромосомами. Так самояк і всі інтерфазних хромосоми, політенні хромосоми розтягнуті значносильніше, ніж конденсовані метафазні хромосоми. При фарбуванні політенниххромосом спеціальними барвниками виявляється певний малюнок чергуваннятемних і світлих смуг. На відміну від того, що спостерігається ввисококонденсірованних метафазних хромосомах, число смуг величезне. Наприклад, начотирьох політенних хромосомах D. me-lanogaster можна нарахувати майже 5000 темних смуг, а вповному наборі з 23 метафазних хромосом людини видно принаймні 2000смуг.

Чітко помітні морфологічні ознаки індивідуальнихпрометафазних і політенних хромосом стабільно відтворюються з покоління впокоління у даного виду. Незвичайна форма хромосом або характер смуг поряд затиповим числом хромосом сигналізують про пошкодження хромосомного матеріалу. Наявністьтаких змінених хромосом часто пов'язано зі спадковими захворюваннями. Наприклад,сегмент однієї хромосоми іноді переміщується на абсолютно неріднухромосому, і такі перебудови відразу виявляються за незвичним розміром абохарактером смуг. Подібні транслокації іноді бувають реципрокного, тобто дванеспоріднені хромосоми можуть обмінятися фрагментами. Іншим прикладом змін,або аберацій, хромосом сл...ужать делеції частині нормальної хромосоми, дуплікаціїдеяких областей і навіть інверсії сегментів. Іноді спостерігаються втратихромосом або, навпаки, поява зайвих. Наприклад, захворювання людини,відоме як синдром Дауна, зумовлена ​​присутністю трьох копій 21-ої хромосомизамість звичайних двох. Успіхи у вивченні структури хромосом визначалися виборомпідходящих експериментальних об'єктів. Так, величезні політенні хромосоми D. melanogaster стали улюбленоюекспериментальної системою ще на зорі розвитку галузі біології, іменованоїтепер цитогенетикою; систематичне вивчення невеликих за розміром хромосомлюдини та інших ссавців могло розпочатися лише з удосконаленнямекспериментальної техніки на початку 50-х років. Хромосоми прокаріотів не видно вне існувало.ознак.

На початку XX в. була виявленагенетики.ВБулиВ

Цейхромосомі.melanogaster.

ВПрипущеннямікроорганізмів.гена.ПроведеніКрім того,Такимcoli.спіралі ДНК.лужіло збагатило науку відкриттяОсвальда Евері і його колег, а також Альфреда Херші і Маргарет Чейз, що складалосяв тому, що тільки ДНК є носієм генетичної інформації. Центральнароль в спадковості, приписувана хромосомами, могла бути тепер віднесена доДНК, яку вони містять.

ДНК - не єдина нуклеїнова кислота, обнаруживаемая вклітці. Близькоспоріднені молекули - РНК - відрізняються відДНК в основному тим, що замість дезоксирибози містять рибозу і частіше маютьодноцепочечную структуру.

Розшифровка структури ДНК і встановлення її центральної ролів спадковості увінчали накопичені наукою дані і дозволили генетиці зстатистичної та феноменологічної науки перетворитися на науку з переважаннямхімічних і молекулярних напрямів розвитку. Негайна бурхлива реакціявчених на відкриття подвійної спіралі свідчила про її адекватності. Модельструктури ДНК не тільки відповідала хімічним і фізичним даним, але йповністю відповідала функцій, властивих генетичному матеріалу. У лінійнійпослідовності чотирьох пуринів і піримідинів могло бути закодовановеличезна кількість інформації, і в принципі ця структура могла забезпечитисвою власну реплікацію. Розшифровка структури ДНК проливала світло на самірізні аспекти біології та створювала основу для пояснення багатьох суперечливихданих, отриманих раніше. Вона забезпечила фундаментальну цілісність приінтерпретації величезного різноманіття життєвих форм. Раз і назавждиспадковість пов'язувалася з певною молекулярною структурою.

Проблеми механізмів переносу, перерозподілу та експресіїгенетичних ознак, довгий час не знаходили рішення, з початку 50-х роківперейшли на молекулярний та хімічний рівні. Як реплікуються і рекомбінуютьмолекули ДНК? Яким чином вони зберігаються в наступних поколіннях? Якимспособом інформація, закодована в ДНК, забезпечує освітуфенотипічних продуктів - білків? Як регулюється зчитування інформації,закодованої в ДНК, в процесі росту клітин або розвитку організму і приінших фізіологічних станах? Як порушуються ці процеси при захворюваннях?Ці та ще багато інших питань стояли в центрі молекулярно-генетичнихдосліджень протягом останніх 35 років. Бурхливий прогрес в перші 20 з них бувдосягнутий завдяки використанню систем прокаріот і пов'язаний з ідентифікацієюмолекулярних структур, що беруть участь в процесах зберігання, підтримання, передачіі використання генетичної інформації.

Перенесення генетичної інформації в клітині

Інформаційні взаємовідносини між ДНК, РНК і білкамитепер точно встановлені. Реплікація, за допомогою якої створюються ідентичнікопії батьківської молекули ДНК, забезпечує генетичну безперервність у низціпоколінь. Транскрипція ДНК з утворенням РНК опосередковує трансляцію цієїінформації на рівень білків. Отже, ДНК виконує дві основоположні функції.Перша-це здійснення своєї власної реплікації. Друга - цеформування фенотипу через освіту молекул РНК, що беруть участь у трансляціїінформації, що міститься в ДНК, на мову білків. І, наскільки це відомо,тільки у еукаріотів інформація може передаватися у зворотному напрямку, від РНКдо ДНК, за допомогою процесу, іменованого зворотною транскрипцією.

В основі перенесення інформації від ДНК до РНК або від РНК до ДНКлежить універсальна здатність нуклеїнових кислот служити матрицею. Нуклеїновікислоти направляють збірку ідентичних або споріднених молекул і безпосередньоберуть участь у процесі синтезу білка. Наскільки відомо, інформація непередається від білків до нуклеїнових кислот. Однак білки крім самозбіркиздійснюють найважливішу функцію каталізу та інформаційного переносу міжнуклеїновими кислотами.

Далі ми розглянемо коротко ключові характеристикигенетичного апарату і його функціонування: структурні особливостінайважливіших компонентів молекул - ДНК, РНК і білків - і те, як вони працюють,забезпечуючи збереження цілісності геному і трансляцію генотипу організму на йогофенотип. Ці питання детально розглядаються в гл.1, 2 і 3, складовихпершу частину книги.

Структура та збереження геномної ДНК

Усі клітинні ДНК складаються з двох полінуклеотидних ланцюгів,закручених навколо загальної осі з утворенням подвійної спіралі. Зовнішнюповерхню спіралі становить кістяк кожної ланцюга, що складається з повторюванихзалишків дезоксирибози. Ланцюги утримуються разом завдяки водневим зв'язкамміж пуриновими підставами одного ланцюга і піримідиновими - інший: аденінзавжди спарений з тиміном, а гуанін - з цитозином. У результаті утворення такихпрактично інваріантних пар послідовність підстав одного ланцюга однозначновизначає їх послідовність в іншій - іншими словами, ланцюги подвійної спіраліДНК комплементарні.

Молекули ДНК виконують дві різні функції. Перша - послідовністьпуринових і піримідинових основ кожної ланцюга служить матрицею, з якоїкопіюється нова ланцюг. Друга - гени, що складають ДНК, детермінують синтезферментів та інших білків, необхідних для синтезу нових молекул ДНК. Приреплікації в особливому ділянці подвійної спіралі ДНК відбувається розплітання ланцюгів. Врезультаті кожна ланцюг починає функціонувати як матриця, на якійсинтезується нова, компліментарна ланцюг. Таким чином, кожна з обохутворилися дочірніх спіралей отримує один ланцюг від батьківської спіралі, аіншу - утворену в результаті синтезу de novo. Незважаючи на гаданулогічну простоту, процес реплікації в дійсності дуже складний і дляйого здійснення необхідно безліч білків. Найважливішими з них єферменти, звані ДНК-полімераза. Їх роль у реплікації полягає в збірціполінуклеотидних ланцюгів з окремих мононуклеотид. Всі ДНК-полімеразиподовжують полінуклеотидних ланцюг послідовним додаванням окремихдезоксінуклеотідов.

Вибір нуклеотиду, який повинен бути приєднаний до ланцюга,визначається здатністю входить до його складу підстави утворювати компліментарнупару з наступним вільним підставою ланцюга-матриці. Висока надійністьпроцесу реплікації гарантує практично безпомилкову передачу генетичноїінформації в ряді поколінь.

Одне з відкриттів, зроблених при вивченні найпростіших геномів,полягало в тому, що вони кодують апарат для власного увічнення тазбереження. Більш того, генетична програма допускає можливість перебудовДНК, і хоча при цьому часто утворюються невигідні, несприятливі перебудови,створювані нові комбінації генів є матеріалом для еволюційногоекспериментування. Всі геноми містять інформацію, необхідну для синтезуРНК, ферментів і різних білків, що беруть участь в цих процесах. Один з такихпроцесів - генетична рекомбінація, в результаті якої відбувається обмінміж сегментами гомологічних хромосом. Раніше ми відзначали, що генетичніобміни пов'язані, мабуть, з спарюванням хромосом в мейозі; більш того,процес кросинговеру можна візуалізувати. Якщо розглядати ці події намолекулярному рівні, то рекомбінація відбувається в місцях перехрещення і полягає врозриві і возз'єднання ланцюгів в межах відповідних областей ДНКрекомбінує хромосом. Рекомбінація, також генетично детермінована,може відбуватися і між певними ділянками ДНК хромосом; врезультаті створюються нові зв...'язки між генетичними структурами. Дляздійснення різних процесів рекомбінації, виявлених у прокаріотів,потрібна ціла армія ферментів, що забезпечують спаровування гомологів або особливихпослідовностей і каталізують розриви і возз'єднання ланцюгів.

Існують також і спеціальні механізми репараціїпошкоджень ДНК. Опромінення клітин ультрафіолетовим світлом або рентгенівськимипроменями або обробка різними хімічними агентами призводять до пошкоджень,зачіпають підстави або остов молекули ДНК. У ДНК закодована інформація просинтезі репаруючу ферментів і білків, що підтримують цілісність геномубудь-якого організму.

Експресія і регуляція генів

Білки - основні детермінанти фенотипу організму. З нихпобудовані і ферментативний апарат, який забезпечує метаболічну,енергетичну та біосинтетичних активність всіх клітин, і регуляторніелементи, координуючі ці види активності у відповідь на ендогенні та екзогеннісигнали. Білки є також основними компонентами багатьох структурнихелементів, що характеризують морфологію клітини і опосредующих її рух. Говорячив двох словах, організми - це в кінцевому рахунку ті білки, які вони самі івиробляють.

Постулат "один ген - один поліпептид" створивконцептуальну базу для аналізу зв'язку генотипу організму з його фенотипом. Але довирішення проблеми структурної організації білків і ДНК, тобто до початку 50-хроків, ця теорія не мала молекулярної основи. З розробкою нових методіваналізу білкової структури було встановлено, що кожен білок маєунікальною лінійної амінокислотної послідовністю. Ця послідовність,звана первинної структурою, визначає характер укладання поліпептидного ланцюгаз утворенням біологічно активної тривимірної форми. Таким чином, структурабілка визначається його амінокислотної послідовністю, яка в своючергу кодується генами. Доказом цьому служить той факт, що мутації вгені призводять до зміни амінокислотної послідовності відповідногобілка. Більш того, послідовності мутантних сайтів в генах іпослідовності змінених амінокислот у відповідних білках колінеарні,тобто порядок їх проходження однаковий. Таким чином, було показано, що лінійнерозташування нуклеотидів в ДНК і амінокислот в білках взаємопов'язано, тобто одназ характеристик генетичного коду встановлена.

Ідея генетичного коду передбачає існуваннявизначеного механізму перекладу нуклеотидної послідовності ДНК вамінокислотну послідовність білків. З середини 50-х до початку 60-х роківмолекулярні основи генетичного коду і механізм його розшифровки при збірціполіпептидного ланцюга були встановлені. Розкриття цієї таємниці стало одним змонументальних досягнень молекулярної генетики. Несподівано код виявився дужепростим 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 зяких представлений трьома послідовно розташованими нуклеотидами в ланцюжкуДНК.61 з 64 кодонів кодують амінокислоти, причому кожен триплет - тількиодну амінокислоту. Один з цих триплетів має подвійну функцію: кодуєамінокислоту метіонін і позначає початок фрагмента ДНК, що кодує білок. Коженз трьох інших триплетів може служити сигналом закінченняпослідовності, що кодує білок. Генетичний код вироджений, оскількиоднієї і тієї ж амінокислоті може відповідати більш ніж один кодон; але, зіншого боку, код не двозначний, тому що будь кодон позначає тількиодну амінокислоту. Якщо відомий словник кодонів, то перевести геннупослідовність у відповідний білковий продукт не складає труднощів.

Для експресії гена у вигляді білкового продукту спочатку повиннастатися транскрипція ДНК з утворенням РНК. Цей процес здійснюється задопомогою РНК-полімераз - ферментів, що каталізують синтез ланцюга РНК шляхомкопіювання нуклеотидної послідовності одного ланцюга ДНК за допомогою компліментарногоспаровування підстав. Гени, що кодують білки, детермінують синтез молекули"Мессенджер", або матричної РНК, званої так тому, що вона несегенетичну інформацію, закодовану у відповідному сегменті ДНК, ібезпосередньо бере участь у збірці білків. Деякі гени не кодують жоднихбілків. При їх транскрипції утворюються не мРНК, а молекули РНК, необхідні дляосвіти зрілих РНК різного типу і для трансляції мРНК у білки.

Дослідження взаємодії РНК-полімераз та іншихдопоміжних білків транскрипції з ДНК розширило наші знання про специфічністьі міцності міжмолекулярних взаємодій. Так, було показано, щоздійснюються дуже точні молекулярні контакти між білками і специфічнимигрупами нуклеотидів в ДНК, а це в свою чергу відкрило нові перспективи вдослідженні проблем експресії і регуляції генів. Ми коротенько прокоментуємо,як такі взаємодії опосередковує регуляцію роботи генів.

В рамках вступної глави неможливо описати такий досконалийпроцес, як трансляція послідовності нуклеотидів матричної РНК в білковуланцюг. Він дійсно дуже складний і складається з безлічі повторюваних етапів.Трансляцію молекул мРНК у білки каталізують рібонуклеопротеіновие частинки,містять більше 50 різних білків і три види молекул РНК. Синтез білковоїланцюга починається з приєднання рибосом до матричної РНК. Білкова ланцюгподовжується на одну амінокислоту, коли рибосома просувається вздовж молекулимРНК на один кодон. Ключовий момент трансляції - переклад генетичної інформації,закодованою триплетних кодонах матричної РНК, в специфічні амінокислоти- Залежить від компліментарного спаровування підстав. Кожна амінокислотаприєднується до особливої, спорідненої їй транспортної РНК, що містить триплет,компліментарний кодоновому триплету в матричної РНК. Завдяки спаровуванняпідстав між кодоном мРНК і антикодоном тРНК потрібна амінокислота займаєсвоє місце в зростаючої поліпептидного ланцюга. За один цикл переміщення рибосоми повсій довжині молекули мРНК, яка кодує даний білок, утворюється одна молекулацього білка.

Вивчення експресії генів - тільки один з аспектівдослідження механізму їх дії. Інший пов'язаний з регуляторними процесами,контролюючими час і ступінь експресії при різних умовах. Не дивно,що прогрес у розумінні механізму транскрипції і трансляції дозволив прояснитиі проблему регуляції. Так, було показано, що у бактерій регуляція експресіїгенів відбувається диференційовано. Дійсно, при деяких умовахбагато гени не експресуються зовсім, а ступінь експресії інших розрізняєтьсяна порядки. Однак зміна умов може призводити до активації мовчалираніше генів і, навпаки, до репресії активних. Це надає клітинамширокі можливості для мінливості, що забезпечує пристосованість їхфенотипів до умов середовища.

Експресія генів зазвичай регулюється на рівні освітиРНК. Як правило, ініціація транскрипції регулюється або репрессорнимі білками, блокуючими транскрипцію, або активаторного , необхідними дляїї запуску. У першому випадку експресія починається після зняття репресії вВнаслідок модифікації білка-репрессора. У другому ген транскрибується тількив тому випадку, якщо активаторного білок знаходиться у відповідномуфункціональному стані. Репрессорние і актіваторная білки - не єдинізасоби регуляції транскрипції. У деяких випадках білки - продукти генної експресії- Самі служать регуляторами транскрипції власних генів. Відомі такожвипадки, коли на ефективність транскрипції впливають структурні зміни в ДНК.Освіта РНК може регулюватися і шляхом контролю швидкості елонгації абомісця її закінчення, тобто транскрибувати може весь ген або якась йогочастина при наявності специфічного стоп-сигналу. Експресія генів може також регулюватисяна рівні трансляції матричної РНК в білки. У цьому випадку специфічнарегуляція теж зазвичай здійснюється на початкових етапах процесу декодування.