Основні закономірності функціонування генів у еукаріотів

Які особливості організації геному еукаріотів?

В еукаріотів значна частина геному представлена послідовностями ну­клеотидів, які не кодують структури молекул білків та РНК. Учені з’я­сували, що 20-50 % генів еукаріотів мають одну, інші - кілька зазвичай не ідентичних копій. Понад 50 % усієї кількості ДНК припадає на повто­ри. Завдяки копіям, мутації окремих генів мало впливають на фенотип. Повторювані послідовності нуклеотидів зосереджені переважно на кінцях хромосом і в зоні прикріплення ниток веретена поділу (центромера).

Генам еукаріотів, на відміну від генів прокаріотів, притаманний моза­їчний характер будови: кодуючі ділянки (екзони) чергуються з некодую- чими (інтронами). Серед інтронів є ділянки, що здійснюють важливі регу­ляторні функції. Регуляторні ділянки є й у складі міжгенної ДНК. Обов’язковим етапом, необхідним для здійснення молекулою ІРНК своїх функцій, є процес сплайсингу: інтрони за участі відповідних ферментів вирізаються, а екзони зшиваються, утворюючи матрицю для синтезу біл­кової молекули (див. мал. 9.1).

Які особливості регуляції експресії генів у еукаріотів?

На відміну від прокаріотів, у клітинах еукаріотів молекули іРНК син­тезуються на молекулах ДНК в ядрі і вже звідти транспортуються до цито­плазми. Таким чином, такі основні етапи експресії гена, як транскрипція та трансляція (синтез білкової молекули на матриці іРНК) в еукаріотів розділені у просторі та часі.

Гени багатоклітинних організмів поділяють на дві функціональні гру дйі одні з них активні в усіх клітинах, де забезпечують універсальні функ­ції живого, а інші - активні лише у клітинах певних типів. Особливу групу становлять псевдогени — змінені внаслідок мутацій послідовності нуклео- тидів» які нагадують певні гени, однак інформація з них не зчитується.

До регуляторних елементів експресії генів належать промотори (послі­довність нуклеотидів, з якої розпочинається процес транскрипції), послі­довності нуклеотидів, які впливають на ефективність процесу транскрип­ції, а також ті, що забезпечують припинення транскрипції та трансляції. Запам'ятайте: на активність генів еукаріотів і прокаріотів впливають певні регуляторні послідовності нуклеотидів, які функціонально пов’язані з ними.

Гени еукаріотів, які керують процесами транскрипції, не можуть бути постійно активними. Тому гени та їхні функціональні групи під впливом певних чинників чи фаз клітинного циклу то активуються, то через пев­ний час знову стають неактивними. Завдяки тому, що не всі гени клітини активні одночасно, різні типи клітин продукують не весь закодований комплекс білків чи молекул РНК, а лише потрібні на даний момент. Так. гени, які кодують структуру субодиниць гемоглобіну дорослої людини, активні лише у клітинах-попередниках еритроцитів. Здатність клітин «вмикати» або «вимикати» структурні гени має важливе значення і для економного витрачання енергетичних ресурсів.

Запам’ятайте: активність будь-якого структурного гена залежить від наявності в клітині чинників, які пригнічують процеси транскрипції або стимулюють їх.

Для регуляції активності певних генів використовується механізм, за якого особливі білкові молекули запобігають розпізнаванню ферментом, що забезпечує синтез іРНК, сигналу про припинення синтезу цієї моле­кули. Такий сигнал становить певну послідовність нуклеотидів, розташо­вану всередині кодуючої частини гена (пригадайте, які саме триплети сигналізують про припинення синтезу білкової молекули). За наявності факторів, які запобігають розпізнаванню ферментом сигналу про при­пинення синтезу іРНК, синтез цієї молекули продовжується і вона стає функціонально активною.

Деякі неактивні гени можуть активуватись позаклітинним сигналом, наприклад впливом підвищеної температури чи певних гормонів. Так, по­трапивши до клітини, стероїдний гормон взаємодіє з клітинним білком і змінює його структуру. Змінений білок проникає у ядро і зв’язується зі специфічним регуляторним елементом, який ініціює транскрипцію відпо­відного гена — синтез молекули іРНК.

Гормони білкової природи зв’язуються з відповідним рецептором, роз­ташованим на зовнішньому боці мембрани. Це активує фермент, за участі якого починає діяти фактор транскрипції певного гена.

Деякі білкові молекули здатні переміщуватись у внутрішньому середо­вищі клітини, «шукаючи» відповідні регуляторні послідовності нуклео­тидів. їхня взаємодія може сприяти активації транскрипції або блокувати Цей процес. Перехід певних генів в активний чи неактивний стан можли­вий і при взаємодії цих білкових молекул з ферментами, що каталізують синтез ІРНК.

Запам'ятайте: існують послідовності нуклеотидів, що межують, пе. рекриваються або розташовані поза промотором, з якими взаємодію^ регуляторні білки. Ці білки можуть бути активаторами або пригнічува- чами (дипресорами), а також запобігати завершенню транскрипції.

Як ви пам’ятаєте, структурною частиною хромосоми є нуклеосома (мал. 14.1). Вона формується за рахунок взаємодії нитки ДНК з білками (гістонами). Нуклеосоми є загальними пригнічувачами активності генів. Більшість генів у клітині перебуває в неактивному стані, за винятком активованих факторами транскрипції. Активація транскрипції потребує перебудови хроматинових ниток. Ця перебудова пов’язана з тим, що певні ділянки хроматинових ниток стають менш ущільненими і регуляторні ді­лянки молекули ДНК, пов’язані з даним геном, звільняються від нуклео- сом. Так відповідні ділянки ДНК стають доступними для чинників, які забезпечують процес транскрипції.

На експресію генів можуть впливати й зміни хімічного складу ДНК, але послідовність нуклеотидів у молекулі при цьому не змінюється. Так, у певних ділянках може відбуватись введення метильної групи (-СН₃) (про­цес метилювання). Така модифікація молекули ДНК не супроводжується зміною нуклеотидної послідовності. Підвищення ступеня метилювання у певних ділянках спричиняє зменшення або повне пригнічення експресії сусідніх генів. І навпаки, зменшення ступеня метилювання пов’язане з підвищенням рівня їхньої експресії.

Під час формування специфічної природної структури ДНК регулятор­ні послідовності і відповідні структурні гени зближуються, що полегшує їхню взаємодію. Крім того, фактори транскрипції (наприклад, певні біл­ки) зв’язуються з регуляторними послідовностями нуклеотидів і можуть утворювати ланцюжок, який зближує віддалені структурні гени та їхні регуляторні ділянки.

Активність генів може залежати від взаємодії молекул нуклеїнових кислот між собою. Одним з таких механізмів є РНК-іптерференція (від лат. інтер - між, посеред і ферентіс - який несе) - процес пригнічення експресії гена за допомогою молекул мікро-РНК. Це пригнічення експресії гена відбувається під час транскрипції, трансляції або руйнування іРНК.

Молекули мікро-РНК не кодують структуру білків і мають незначну до­вжину: 19-21 пара нуклеотидів. Як вони виникають? Активація певних генів зумовлює синтез молекул РНК з дволанцюговими ділянками. Ці

ділянки вирізаються за участі осо­бливого ферменту. З них утворю­ються молекули мікро-РНК, кожна з яких зв'язується з кількома білко- вими молекулами, що забезпечують розплітання ланцюгів РНК. Згодом один з ланцюгів мікро-РНК сполу­чається з комплементарною ділян­кою іРНК, яка кодує структуру пев­ного гена. Наслідки такої взаємодії бувають різні. По-перше, це може бути ущільнення хроматину та при­гнічення активності гена. По-друге,

Запам’ятайте: експресія генів може залежати від взаємодії молекул

нуклеїнових кислот між собою або змін їхнього хімічного складу.

Ще один шлях регуляції експресії генів - це альтернативний сплай- синг. Ми згадували, що сплайсинг - процес, пов’язаний з видаленням з іРНК ділянок, що відповідають інтронам. Але вів може перебігати й аль­тернативним¹ шляхом (звідки й походить його назва). Наприклад, за учас­ті певних ферментів можуть вирізатись декілька екзонів як ва початку, так і всередині гена. У результаті цього з однієї ділянки можуть бути син­тезовані різні варіанти молекул ІРНК, які кодують різні білки (мал. 14.2). У геномі людини середня кількість альтернативних форм іРНК, які при­падають на один ген, становить 5,4.

Запам’ятайте: експресія генів може пригнічуватися під час тран­скрипції або трансляції. При цьому послідовність генів може не зміню­ватись.

Як результати вивчення активності генів застосовують у генетичній Інженерії?

Генетична інженерія - це експериментальна галузь молекулярної гене­тики. Її основні завдання:

• • синтез поза організмом, виділення з клітин і перебудова окремих генів;
• • копіювання і розмноження виділених або синтезованих генів;
• • введення генів або їхніх груп до геномів інших організмів;
• • поєднання різних геномів в одній клітині.

Важливим етапом цих досліджень є встановлення нуклеотидних ц₀. СЛІДОВНОСТЄЙ окремих генів. Без ЦЬОГО неможливо ВИДІЛЯТИ окремі Гени з організму або здійснювати їхній синтез поза організмом. Але недостатньо просто ввести певний ген у геном іншого організму. Вся ця робота втра. тить свій сенс, якщо не відбудеться експресії такого гена. А вона неможли­ва без урахування різноманітних чинників, які впливають на неї.

Регуляторні ПОСЛІДОВНОСТІ нуклеотидів еукаріотів за СВОЄЮ структурою та розташуванням відносно кодону, який ініціює процес транскрипції відрізняються від подібних послідовностей у клітинах прокаріотів. Якщо гени еукаріотів просто ввести у прокаріотичну клітину, бактеріальний фермент, який забезпечує синтез іРНК, не розпізнає ці послідовності. Тому для експресії генів еукаріотів у клітинах прокаріотів потрібно, щоб ці гени потрапили під контроль регуляторних елементів клітини хазяїна.

При перенесенні генів еукаріотів необхідно також враховувати, що в їх­ніх клітинах кожний структурний ген має власний набір регуляторних елементів, які активуються специфічними сигналами у різні періоди клі­тинного циклу. Натомість структурні гени прокаріотних клітин об’єднані у групи, що мають спільні елементи регуляції.

Досконале вивчення проблем експресії тих чи інших генів у клітині дало змогу вирішити деякі важливі практичні питання за допомогою ген­ної інженерії. Ви знаєте, що відсутність або недостатність вироблення тих чи інших гормонів в організмі людини або тварин спричинює важкі на­слідки. Зокрема, досить поширене захворювання людей — цукровий діабет - є і наслідком втрати здатності до синтезу інсуліну; тому для підтримання життєдіяльності необхідно періодично вводити в організм цей гормон. Отримувати препарати інсуліну у достатній кількості дозволило введення відповідних генів у бактеріальну клітину.

РНК-інтерференцію можна використовувати у медичній практиці та селекції. Для цього створюють так звані антисенсорні (від грец. анти - протилежний та лат. сенсус - відчуття) молекули РНК. За складом вони відповідають послідовності нуклеотидів молекули іРНК певної клітини, Припустимо, що така сенсорна РНК несе інформацію про шкідливі для ор­ганізму або небажані для селекціонера білки. Тоді вчені синтезують і вво­дять у клітину молекулу антисенсорної РНК. Її нуклеотиди зв’язуються з нуклеотидами сенсорної РНК. Це блокує біосинтез білків, закодованих у молекулі сенсорної РНК. Наприклад, застосовуючи антисенсорні технології, можна послабити симптоми ВІЛ-інфекції, коли антисенсорні молекули РНК зв’язують комплементарну іРНК вірусу, що гальмує його розмноження.

Застосування антисенсорної технології у селекції рослин має вже певні практичні результати. У помідорів відомі ферменти, які сприяють їхньо­му швидкому дозріванню. Але фермерам потрібно, щоб ці овочі достигали поступово, оскільки важко реалізувати значні обсяги продукції за корот­кий термін. Крім того, один з ферментів прискорює розщеплення поліса­хариду пектину в клітинних стінках, унаслідок чого плоди швидко псу­ються. Завдяки введенню у геном помідорів антисенсорних молекул РНК синтез відповідних ферментів гальмується.

Метод РНК-інтерференції застосовують для з’ясування деяких теоре­тичних питань при дослідженнях з використанням культур клітин або живих організмів. За рахунок синтезованих дволанцюгових молекул мікро-РНК, які вибірково впливають на активність тих чи інших генів»

щозкна з ясувати їхні функції. ІІри введенні молекули мікро-РНК вона пригнічує активність специфічного гена, і за наслідками цього процесу вчені роблять висновки щодо його функцій.