Транскрипционная функция генов.

Содержание

Введение
1. Современное представление о генах
2. Механизм транскрипции
3. Роль генов в транскрипции
Заключение
Список литературы

Транскрипционная функция генов.

Концепция гена на протяжении более ста лет подвергалась эволюции. Термин «ген» подразумевает, что «в растительной, животной клетке или у микроорганизма имеется наследственная единица, которая может удваиваться и передаваться потомству»1. Рассмотрим этапы становления научных взглядов на его сущность гена.
Первый этап связан с именем Менделя и появлением идеи о существовании дискретных материальных единиц наследственности, передающихся от родителей потомкам. Идея базировалась на найденных правилах наследования признаков. Единица наследственности была названа Менделем фактором2. Бэтсон и Иоганнсен дали ей название «ген». В термине «ген», происходящим от греческого слова «род», «происхождение», отражалась понимаемая на то время сущность единицы наследственности – способность реализоваться в признак, «рождать» признак. Методически первый этап генетики представляет собой гибридологический анализ.
Второй этап в развитии генетики был попыткой «материализовать» ген. Согласно разработанной Морганом с сотрудниками хромосомной теории наследственности, ген является участком хромосомы. Методически второй этап можно назвать цитогенетическим (цитологическим изучением хромосом – носителей генетической информации).
Третий этап связан с открытием ДНК как химического вещества, ответственного за наследственность. Он характеризуется открытием структуры ДНК, генетического кода и многих других процессов, происходящих с молекулой ДНК. Этап заканчивается полной расшифровкой генов человека, значительного числа животных и растений. На этом этапе ген отождествляется с участком ДНК. Так, М. Зуссман, указывает, что «хотя в химическом отношении молекула ДНК представляет собой единое целое, её в то же время можно рассматривать как набор отдельных локусов – генов»3.
На четвертом, современном, этапе развития генетики в качестве генов будут фигурировать не ДНК и её участки, а информационные продукты, образующиеся на ДНК.
Итак, генетическая доктрина называет генами дискретные материальные единицы, передающиеся с гаметами от родителей к потомку. Мысль о неудовлетворительном воплощении классического постулата о дискретности гена в представлении о гене как об участке ДНК просматривается в высказываниях ряда генетиков. С.Г. Инге-Вечтомов, к примеру, пишет: «Само представление о дискретных единицах генетической информации существует благодаря трансляции нуклеотидных последовательностей иРНК, ограниченных кодонами: инициатором и терминатором. Считывание таких последовательностей приводит к появлению в клетке дискретных молекул белка». Сделанными утверждениями автор аргументирует мысль о том, что «синтез белка или трансляция – это центральное событие в жизни клетки»4.
Гены в новой терминологии делятся на три категории: РНК-гены, белковые гены и ДНК-гены. Категория РНК-генов включает иРНК, рРНК, микроРНК и тРНК. Категория белковых генов включает «регуляторные белки» и «транскрипционные факторы». К ДНК-генам ?Чадов относит ДНК мобильных элементов5.
В классическом смысле «ген» совмещает две функции: перенос информации (передача потомкам) и её реализацию (образование признака). В случае классического истолкования термина «ген» перенос информации автоматически означает её реализацию. Современная генетика уже не может принимать такое упрощение. Известно, что активность большинства генов приурочена к определенной стадии онтогенеза, на остальных стадиях они не активны. Существуют гены, не проявляющие активности у одного представителя вида, но проявляющие её у другого. О функции значительного количества переносимой ДНК вообще пока ничего не известно.
Поэтому Б.Ф. Чадов предлагает использовать для изучения работы генов разграничение их на два вида: проген, переносящий информацию, и ген, реализующий её6.
Таким образом, представление о двух состояниях гена: иммобилизованном в виде прогена в составе хромосомы и подвижного в виде генов (РНК-гены, белок-гены, мобильные элементы) ставит вопрос о существовании специальной генетической области, целью которой является изучение топологии информационных генетических единиц.
В настоящее время в связи с установлением структуры молекул ДНК и их роли в передаче наследственной информации геном называют локализованный участок молекулы ДНК, обладающий определенной биохимической функцией и оказывающий специфическое влияние на свойство особи. Каждый ген обладает функцией программирования синтеза в клетке определенного белка (концепция «ген-белок»). Иначе говоря, ген представляет собой определенную биологическую единицу в системе генетической информации, связанной со специфической последовательностью расположения нуклеотидов в ДНК и РНК. В настоящее время в понятие «ген» включается не только его транскрибируемая область – экзоны и интроны, но также фланкирующие последовательности – лидерная, предшествующая началу гена, и хвостовая нетранслируемая область, расположенная на 3'-конце гена.
2. Механизм транскрипции
Транскрипция – биосинтез РНК на матрице ДНК, осуществляющийся в клетках организма. Транскрипция – это первый этап реализации генетического кода, в ходе которого последовательность нуклеотидов ДНК переписывается в нуклеотидную последовательность РНК. В этом процессе с помощью ферментной системы происходит синтез цепи РНК, нуклеотидная последовательность которой комплементарна последовательности одной из цепей ДНК7. Транскрипция должна осуществляться точно, поскольку клетке нужны белки с нормальной генетически детерминированной последовательностью аминокислот.
В результате возникает три типа РНК: матричная (мРНК); рибосомная (рРНК); транспортная (тРНК).
Матричная РНК поступает в рибосомы и там направляет синтез одного или нескольких полипептидов, аминокислотная последовательность которых была закодирована геном или группой генов в хромосоме.
Важная роль в процессе использования наследственной информации клеткой принадлежит транспортной РНК (тРНК). Доставляя необходимые аминокислоты к месту сборки пептидных цепей, тРНК выполняет функцию трансляционного посредника. Молекулы тРНК представляют собой полинуклеотидные цепи, синтезируемые на определенных последовательностях ДНК.
Процесс взаимодействия мРНК и тРНК, обеспечивающий трансляцию информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляется на рибосомах. Последние представляют собой сложные комплексы рРНК и разнообразных белков, в которых первые образуют каркас. Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль8.
В процессе транскрипции можно выделить три этапа. Первый этап – инициация транскрипции – начало синтеза нити РНК, образуется первая связь между нуклеотидами. До этого комплекс полимераза-ДНК не стабилен и способен распадаться. Для начала синтеза РНК необходима сигма-субъединица, функция которой состоит в том, чтобы обеспечить стабильное связывание РНК-полимеразы с промоторами, а не с другими участками ДНК9. Промотор – это последовательность нуклеотидов, указывающих на начало синтеза РНК, участок, на котором должна начаться транскрипция. Разные промоторы несколько отличаются друг от друга по последовательности, что и определяет, вероятно, эффективность транскрипции разных генов.
Затем идет наращивание нити, ее удлинение – элонгация, при которой продолжается дальнейшее расплетение ДНК и синтез РНК по кодирующей цепи. Он, равно как и синтез ДНК, осуществляется в направлении 5 – 3.
Когда синтез завершен, происходит терминация, освобождение синтезированной РНК. Как только полимераза достигает терминатора, она немедленно отщепляется от ДНК, локальный гибрид ДНК-РНК разрушается и новосинтезированная РНК транспортируется из ядра в цитоплазму. На этом транскрипция заканчивается. После этого РНК-полимераза готова к новому циклу транскрипции.
Субъединицы
РНК-полимеразы
РНК ДНК
Рис.1. Схема транскрипции
Все образовавшиеся РНК непосредственно после трансляции не способны, функционировать, так как они синтезируются в виде молекул-предшественников: пре-р, пре-т и пре-м РНК. Чтобы начать работать, пре-РНК должны подвергнуться процессингу (созреванию). Под процессингом понимают совокупность биохимических реакций, при которых пре-РНК укорачиваются, подвергаются химическим модификациям, в результате которых образуются зрелые РНК10. Процессинг т- и рРНК осуществляется по одинаковому плану. В основном вырезаются лишние фрагменты с 3'- и 5'-концов и химически модифицируются азотистые основания.
Процессинг мРНК гораздо сложнее. Интересно, что мРНК прокариот (бактерий) процессингу не подвергаются вообще – это единственные РНК, способные работать сразу после синтеза. У эукариот процессинг мРНК осуществляется многоступенчато и включает модификацию 3'- и 5'- концов, а также вырезание интронов. В последнем процессе участвует четвертый известный тип РНК – малая ядерная РНК (мяРНК), которая удерживает концы, экзонов при вырезании интронов.
В заключении отметим, что между процессами репликации и транскрипции существует важное различие. В процессе репликации копируется вся хромосома и образуются дочерние ДНК, идентичные родительской ДНК. При транскрипции же не обязательно должна транскрибироваться вся клеточная ДНК. Напротив, обычно транскрибируются лишь отдельные гены или группы генов. Таким образом, процесс транскрипции ДНК протекает избирательно, он должен направляться особыми регуляторными последовательностями, указывающими начало и конец участков ДНК, подлежащих транскрипции.
3. Роль генов в транскрипции
Центральную роль в транскрипции играют гены, кодирующие транскрипционные факторы – белки, способные распознавать определенные участки ДНК, прикрепляться к ним и либо активизировать, либо, наоборот, препятствовать транскрипции близлежащих генов. Транскрипционные факторы – это специализированные регуляторы, обеспечивающие слаженную работу генома. Гены транскрипционных факторов в свою очередь могут регулироваться другими транскрипционными факторами.
Участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором, представляет собой единицу транскрипции – транскриптон. По сути транскриптон – это и есть ген с точки зрения молекулярной биологии.
В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной. Во всех транскриптонах, считываемых в одном направлении, значащей является одна нить ДНК; в транскриптонах, считываемых в противоположном направлении, значащей является другая нить ДНК. Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК, а могут и перекрываться, в частности так, что в пределах участка перекрывания матричными оказываются обе нити.
Разбиение ДНК на множество транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения.
У эукариот в состав транскриптона, как правило, входит только один ген. Термины «транскрипционная единица» или «транскриптон» по смыслу близки термину «ген», но они не всегда совпадают. Так, транскрипционные единицы прокариот, как правило, заключают в себе генетическую информацию нескольких генов и называются оперонами. Продуктами транскрипции оперонов являются полицистронные мРНК, в результате трансляции которых рибосомами образуется несколько белков. Белки, кодируемые полицистронными мРНК, обычно функционально связаны друг с другом и обеспечивают протекание какого-либо метаболического процесса, например, биосинтеза определенной аминокислоты или утилизацию углеводов в качестве источника углерода. Организация генов в виде оперонов облегчает координированную регуляцию их экспрессии на уровне транскрипции. Согласованная регуляция транскрипции (и других этапов экспрессии) многих генов, не образующих одного оперона, чаще всего осуществляется специфическими белками-регуляторами, которые взаимодействуют с гомологичными регуляторными нуклеотидными последовательностями, маркирующими гены данной группы.
Таким образом, помимо относительно инвариантной матричной функции, гены выполняют транскрипционную функцию, которая непрерывно меняется в течение жизни и в значительной степени регулируется влиянием средовых факторов. Например, возникающие при стрессорном воздействии межклеточные процессы интегрируют энергию, которая изменяет экспрессивность специфических генов, направляющих синтез специфических белков в специфических нейронах специфических областей головного мозга и обусловливающих в итоге специфические синаптические модификации. Подобные психобиологические трансформации повышают устойчивость организма к средовым и стрессорным факторам.
В связи с выявленным в науке значением генов в транскрипции в конце 2006 г. были опубликованы результаты исследования активности генов в процессе прогрессивного эволюционного преобразования (например, в происхождении человека).
Ученые давно предполагали, что в прогрессивных эволюционных преобразованиях порой бывают важны не столько изменения самих генов, сколько изменения их активности. Даже небольшое изменение нуклеотидной последовательности одного-единственного гена-регулятора может привести к драматическим изменениям активности многих других генов, а это, в свою очередь, может вызвать радикальные перемены в строении организма.
Чтобы проверить эти предположения, группа молекулярных биологов из США и Австралии сравнила уровень активности (экспрессии) генов у человека, шимпанзе, орангутанга и макака-резуса. Активность генов измерялась в клетках печени пяти взрослых самцов каждого вида.
Экспрессию генов измеряют при помощи микрочипов – пластинок с нанесенными на них кусочками ДНК – фрагментами изучаемых генов. Из клеток выделяют РНК и наносят на микрочип. Чем активнее работает ген, тем больше синтезируется в клетке молекул РНК с характерной для данного гена последовательностью нуклеотидов (они синтезируются в ходе первичного «прочтения» генов – транскрипции). Если на чипе имеются кусочки ДНК с такой же последовательностью нуклеотидов, молекулы РНК «прилипают» к ним. По количеству таких «прилипших» молекул РНК и судят об уровне активности гена.