Регуляция генной активности в клетках может происходить на всех этапах экспрессии - от репликации ДНК до посттрансляционных процессов. Рассмотрим регуляцию на уровне транскрипции.

Впервые принцип регуляции на уровне транскрипции был установлен французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году. Свои исследования они проводили на кишечной палочке. Кишечная палочка при попадании в среду, содержащую молочный сахар лактозу, вырабатывает фермент лактазу. Если же лактозы нет, то фермент не вырабатывается. Каким же образом клетка управляет процессом синтеза лактазы? Ответ на этот вопрос дает предложенная Жакобом и Моно модель оперона. Опероном называется функциональная система, состоящая из структурных и регуляторных генов.

В приведенной ниже схеме lac-оперона Р - ген-регулятор; П - промотор; О - ген-оператор; Z, Y, A - структурные гены, причем ген Z отвечает за выработку фермента лактазы, ген Y кодирует фермент, осуществляющий активный транспорт лактозы в клетку, а ген А хотя и находится здесь, однако никакого отношения к расщеплению лактозы не имеет.

Ген-регулятор кодирует синтез белка-репрессора. Репрессор в химическом отношении очень активен и поэтому в свободном состоянии не существует, он обязательно должен вступить с чем-нибудь в связь. Если в окружающей среде нет лактозы, то репрессор вступает в связь с оператором, блокируя его. В этом случае РНК-полимераза не может прикрепиться к промотору (т.к. мешает репрессор). Без фермента РНК-полимеразы не происходит синтез и-РНК на структурных генах и, следовательно, на рибосомах не идет синтез фермента лактазы.

Если же в окружающей среде появляется лактоза, то репрессор связывается с ней и освобождает ген-оператор. При отсутствии репрессора в области гена-оператора фермент РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет синтез и-РНК на структурных генах. Далее и-РНК поступает на рибосомы, где осуществляется синтез фермента лактазы. Последняя будет расщеплять молочный сахар лактозу. Такое состояние в клетке будет длиться до тех пор, пока не исчезнет лактоза. После этого репрессор снова связывается с оператором и тем самым останавливает процесс синтеза фермента лактазы.

Данный принцип регуляции называется принципом индукции. Индуктором в данном случае является молочный сахар - лактоза, т.к. ее появление ведет к запуску синтеза фермента.

Возможен и другой принцип регуляции синтеза белка - принцип репрессии. Он также имеет место у кишечной палочки. В этом случае появление продуктов реакции не запускает, а тормозит процесс синтеза фермента.

Исходно белок-репрессор находится в неактивной форме, поэтому он ни с чем не вступает в связь. Оператор свободен, и РНК-полимераза производит синтез и-РНК на структурных генах. Далее и-РНК поступает на рибосомы, где синтезируются соответствующие ферменты. Ферменты расщепляют субстрат до определенных продуктов, которые в свою очередь активируют репрессор (взаимодействуя с ним). Активированный репрессор вступает в связь с оператором, блокируя его. Нахождение репрессора в области оператора ведет к остановке процесса транскрипции на структурных генах и, соответственно, к прекращению синтеза ферментов на рибосомах. Необходимо отметить, что активация репрессора происходит только тогда, когда продуктов реакции накопится определенное количество (достаточно большое!).

По такому принципу в кишечной палочке функционируют два оперона:

his-оперон, содержащий 9 структурных генов и регулирующий синтез аминокислоты гистидин;

trip-оперон, содержащий 5 структурных генов и регулирующий синтез аминокислоты триптофан.

У эукариот принцип оперонной регуляции не обнаружен. Активность каждого гена у них регулируется несколькими генами-регуляторами, кодирующими, соответственно, несколько регуляторных белков. Эти белки связываются с определенными участками в молекуле ДНК. Один из таких участков находится перед промотором и называется препромоторным элементом; другие области лежат вдали от промотора и носят названия энхансеров (усилителей) и глушителей. В результате связывания регуляторных белков с этими участками происходит включение и выключение структурных генов.

Система выработки регуляторных белков - «многоэтажная». Главные регуляторные белки отвечают за выработку второстепенных. Важная роль в регуляторных процессах принадлежит также гормонам (часто они являются индукторами транскрипции) и белкам гистоновой природы.

Разновидности генов

Псевдогены (ложные гены) - нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, сходные по строению с известными генами, но утратившие функциональную активность.

Онкогены - нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, присутствующие в хромосомах нормальных клеток, способные активизироваться под влиянием факторов внешней среды и продуцировать белки, вызывающие рост опухолей.

Мобильные (прыгающие) гены - гены, не имеющие постоянной локализации не только в хромосоме, но и в пределах хромосомного набора клетки. Понятно, что перемещения генов влияют на их экспрессию - ранее не активные гены могут активизироваться, и наоборот. Некоторые ученые считают, что эти гены играют важную роль в эволюции. Видимо, возникновение таким путем отдельных видов (в результате переноса информации от вида к виду) действительно возможно.

В последние десятилетия в генетике появилось еще одно новое понятие - «семейство генов», или «мультигенное семейство». Это группа генов, имеющих сходное строение, общее происхождение и выполняющих сходные функции. Число генов в разных семействах может колебаться от нескольких единиц до нескольких тысяч.

У человека имеются семейства генов, кодирующие

б- и - глобиновые белки гемоглобина;

иммуноглобулины;

актины и миозины;

белки, определяющие тканевую несовместимость;

гистоновые белки.

Организация генов мультигенных семейств может быть разной. Так, семейства актиновых и миозиновых генов разбросаны по всему геному. Семейства генов, кодирующих - и - глобиновые белки, сосредоточены в одной хромосоме и образуют генные кластеры (так называют семейства генов, расположенных в одной хромосоме).

Генные кластеры возникли в результате дупликации (удвоения) отдельных генов. Таким образом, возникновение генных кластеров есть отражение эволюционного процесса.

Генотип и фенотип

Качественная и количественная специфика проявления генов в признаки

Фенотип - совокупность всех внешних и внутренних признаков и свойств организма, которые формируются в результате взаимодействия генотипа с окружающей средой.

Впервые ответ на вопрос о том, как ген реализуется в признак, дали американские ученые Г. Бидл и Е. Татум в 1941 году. Они сформулировали гипотезу, которая получила название: «один ген - один фермент». Суть ее состоит в том, что один ген контролирует в клетке синтез одного белка, а поскольку все ферменты состоят из белков, то, следовательно, один ген отвечает за синтез одного фермента.

Исходя из этой гипотезы и с учетом современных знаний, весь путь реализации гена в признак можно представить следующим образом:

ген фермент биохимическая реакция признак

Ф а к т о р ы в н е ш н е й с р е д ы

Этот процесс протекает под постоянным влиянием факторов внешней среды. Конечный результат будет зависеть от уровня, на котором действует фактор. Если фактор подействует на уровне гена, то возникающие в фенотипе изменения будут передаваться по наследству. Действие факторов на всем остальном протяжении этой цепочки приведет к ненаследственным изменениям фенотипа, а также к фенокопиям.

Фенокопия - фенотипическая копия наследственного признака или заболевания. Фенокопии по наследству не передаются. Например, возможна фенокопия глухонемоты. Она может возникнуть в том случае, когда женщина в период беременности переболеет коревой краснухой. При этом вирус проникает через плаценту в организм плода и нарушает у него процесс формирования слуховых косточек, что в последующем ведет к глухонемоте. В то же время существует глухонемота, которая определяется патологическим геном и передается по наследству. Другой пример - фенокопия кретинизма. Кретинизм - это наследственное заболевание, в основе которого лежит гипофункция щитовидной железы. Фенокопия кретинизма возникает в условиях недостаточного поступления йода с пищей. Вследствие образования после травмы рубца в головном мозге может возникнуть фенокопия наследственного заболевания эпилепсии.

Наряду с фенокопиями выделяют и генокопии - сходные изменения фенотипа, обусловленные мутациями разных неаллельных генов. Так, гемофилия - несвертываемость крови - может быть вызвана отсутствием в организме разных факторов, которые кодируются разными генами. Хромосомные болезни человека часто сопровождаются бесплодием и умственной отсталостью, однако в каждом конкретном случае изменения могут быть со стороны разных хромосом. Существует две формы глухоты, которые контролируются разными неаллельными генами.

Установление врачом фенокопий важно для прогнозирования рождения в данной семье здорового ребенка. Раскрытие механизма возникновения генокопии позволяет выбрать правильный путь лечения.

Поскольку путь от гена до признака длинный, то наличие гена в генотипе еще не означает, что он проявится фенотипически. Пробиваемость гена в признак - пенетрантность. Пенетрантность равна отношению числа индивидов с данным признаком к общему числу индивидов, имеющих в генотипе данный ген. Принято выражать эту величину в процентах.

Пенетрантность зависит как от внутренних (генотип), так и от внешних факторов (внешняя среда). Рассмотрим это влияние на конкретных примерах.

1. В основе заболевания подагры лежит отложение солей мочевой кислоты в суставах, что ведет к тугоподвижности и появлению болей при движении. Это заболевание определяется доминантным геном. Однако проявление гена в признак будет зависеть как от генотипа, так и от факторов внешней среды. Влияние генотипа: пенетрантность у женщин равна нулю (ХХ половые хромосомы), у мужчин пенетрантность - 20% (ХY половые хромосомы). Влияние внешней среды: пробиваемости гена подагры в признак способствует злоупотребление виноградными винами и мясная пища.

2. Одна из форм шизофрении определяется доминантным геном. Влияние генотипа: пенетрантность у гомозигот (АА) составляет 100%, у гетерозигот (Аа) - 20%. Влияние внешней среды: возникновению заболевания у гетерозигот способствуют факторы, ведущие к перенапряжению центральной нервной системы (стрессовые ситуации, частые конфликты в семье, коллективе; умственное переутомление и т.п.).

Существует еще одна важная характеристика проявления гена в признак - экспрессивность, т.е. степень выраженности признака. Например, серповидноклеточная анемия у гомозигот протекает тяжело, они погибают в раннем возрасте; у гетерозигот - значительно легче, отмечается только одышка при тяжелой работе. В семье, где все страдают брахидактилией (укороченные пальцы), степень укорочения пальцев может быть разная.

Знание пенетрантности и экспрессивности имеет важное практическое значение в работе врача, т.к. появляется возможность предупреждения возникновения наследственного заболевания путем рекомендации пациенту соответствующего образа жизни.

Иногда один ген может контролировать сразу несколько признаков. Это явление носит название плейотропии, или множественного действия гена. Так, у овец один ген контролирует окраску шерсти и степень развития рубца (отдел желудка). У человека примером плейотропии является генетически обусловленный синдром Марфана, при котором один ген вызывает подвывих хрусталика, аневризму (расширение) аорты и нарушения со стороны опорно-двигательного аппарата.

В заключение приведем современный взгляд на гипотезу Г. Бидла - Е. Татума "один ген - один фермент". В целом она верна, однако имеется немало примеров, которые показывают, что один ген может контролировать синтез нескольких ферментов. Это возможно в двух случаях:

1. Наличие у ферментов общих субъединиц. Пример: один ген кодирует ферменты сахарозоизомальтазу, сахаразу, изомальтазу.

2. Существование белкового сплайсинга, т.е. явления, когда ген определяет один полипептид, из которого в последующем удаляются разные участки и, следовательно, формируются разные белки. Так, в клетках мозга человека из белка препродинофрина образуются три типа нейрогормонов: энкефалины, эндорфины и динорфины.

Поэтому на современном уровне знаний данная гипотеза может быть сформулирована следующим образом: «один ген - один полипептид».

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ