Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

содержащий вирус) фермент, способный синтезировать ДНК на мат-

рице РНК- Этот фермент назвали обратной транскриптазой или

РНК-зависимой ДНК-полимеразой (ревертазой, по В. А. Энгельгар-

дту). Одновременно Д. Балтимор обнаружил фермент, синтезирую-

щий ДНК, у вируса миелобластоза птиц. Ревертаза в настоящее

время найдена во всех без исключения РНК-содержащих опухоле-

родных вирусах. В 1975 г. Р. Дульбеко, Г. Темину и Д. Балтимору

была присуждена Нобелевская премия за открытие процесса пере-

дачи наследственной информации, который получил название обрат-

ной транскрипции. После этого открытия формула центральной дог-

мы молекулярной биологии несколько видоизменилась:

(дик* рнк — ^ 5ел о к

Процесс обратной транскрипции явился еще одной формой

специализированного переноса информации. Он состоит из двух эта-

пов (рис. 50).

Сначала на РНК-матрице синтезируется нить ДНК, т. е. образует-

ся промежуточный продукт реакции, состоящий из гибридных моле-

кул, одна нить которых — вирусная РНК, другая — комплементар-

ная ей синтезированная, нить ДНК. На ДНК-вой нити гибридной

молекулы синтезируется вторая нить ДНК, и в результате получается

конечный продукт реакции — двухцепочечная спиральная молекула

ДНК, содержащая генетическую информацию, полностью перепи-

санную с вирусной РНК- Оба этапа осуществляются, по-видимому,

одним и тем же вирусным ферментом, точнее, его активным

центром. Это означает, что ревертаза обладает и РНК-зависимой

и ДНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью и ведет всю реак-

цию от начала до конца.

Открытие ревертазы натолкнуло на мысль, что путем выявления ее

в клетках можно быстро осуществлять раннюю диагностику злока-

чественных опухолей и лейкозов. Однако вскоре обнаружилось, что

ревертазы свойственны и тканям здоровых, не зараженных вируса-

ми организмов. Особенно много их оказалось в эмбриональных

клетках. Тем не менее существуют количественные различия ре-

вертаз в опухолевых и нормальных клетках, за исключением

эмбриональных. Установлены также различия в активности и физико-

химических свойствах ревертаз онкогенных вирусов и нормальных

клеток.

Наличие ревертазы во всех нормальных клетках свидетельствует

о возможности передачи информации от РНК к ДНК. Но с какой

целью? Выявлено, что на определенной стадии эмбриогенеза в клет-

ках амфибий резко возрастает число генов, кодирующих рибосомаль-

ную РНК. Вместо двух копий (2 гомологичные хромосомы) в клетках

обнаруживается по несколько сотен копий каждого гена, которые

определенный период эмбриогенеза функционируют изолированно от

хромосомы, а затем разрушаются. В 1971 г. Тартоф открыл такое же

явление и у дрозофилы. Оно было названо амплификацией генов.

Установлено, что в условиях повышенного требования синтеза

белка в клетке происходит размножение генов рибосомальной

РНК методом обратной транскрипции. Это обеспечивает синтез

РНК не на хромосомной матрице, а на матрице генов, образующихся

в цитоплазме. Очевидно, амплификация генов играет существенную

роль в регуляции феногенетических процессов и происходит всегда,

когда требуется увеличить количество белка.

Таким образом, с учетом амплификации как частного случая об-

ратной транскрипции центральную догму молекулярной биологии

можно представить следующим образом:

обратная

/тгрансх/эилция ^ транскрипция трансляция _

(Р//А — fJ7И/( и-РНК — (Телок

Kij. амллифихация

Перенос наследственной информации типа белок-^ДНК, белок—

РНК и белок->белок ни в эксперименте, ни в живых клетках

никогда не наблюдался. Не были обнаружены и соответствующие

ферменты, способные контролировать эти процессы. Очевидно, в

природе невозможны ни перевод 20-буквенного аминокислотного

кода в 4-буквенный нуклеотидный, ни репликация белка. В связи с

этим указанные пути переноса информации стали называть за-

прещенным переносом.

Регуляция транскрипции

В структуре молекулы ДНК зашифрована наследственная инфор-

мация об огромном количестве биохимических реакций, в результате

которых образуются жизненно важць1е для клетки белки, в том числе

ферменты, катализирующие эти реакции. Ряд белков и их компонен-

тов нужны клетке в небольшом количестве, причем оно должно быть

постоянным. Потребность же в других белках может варьировать.

Так, одни ферменты (конститутивные) постоянно присутствуют в

клетке в небольшом количестве, и при изменении условий суще-

ствования возникает необходимость лишь в его увеличении. Другие

ферменты (адаптивные) появляются в клетке только с возникновени-

ем необходимости в ее приспособлении к каким-то иным энергети-

ческим ресурсам.

Количество белка в клетке зависит от скорости его синтеза,

которая обусловливается содержанием и-РНК. По-видимому, клетка

располагает какими-то механизмами, управляющими скоростью и

длительностью процесса белкового синтеза. Регуляция активности

генов, контролирующих синтез полипептидов, может происходить на

различных уровнях: генном, транскрипционном и трансляционном.

В первом случае регуляция осуществляется с помощью инициации

транскрипции благодаря структурным особенностям промоторного

участка; во втором — она контролируется количеством и характером

молекул и-РНК, детерминируемых определенными генами; в третьем

случае регуляция обусловливается выбором и-РНК на рибосо-

ме.

В 50—60-е годы французские исследователи Ф. Жакоб и Ж- Моно

выяснили некоторые регуляторные механизмы генной активности на

транскрипционном уровне у прокариот и на основании этого сформу-

лировали идею автоматического регулирования синтеза белка клет-

кой. Они изучили процесс регуляции синтеза ферментов у кишечной

палочки, сбраживающих дисахарид лактозу. Оказалось, что лактоз-

ная область ее хромосомы включает гены (рис. 51), кодирующие

три фермента: р-галактозидазу, пермеазу и трансацетилазу (гены Z,

у и ас). Первый фермент расщепляет лактозу на глюкозу и

галактозу, связанные в молекуле лактозы (3-связью. Е. coli, выращи-

ваемая на глюкозе, содержит мало (3-галактозидазы. Ее количество

увеличивается, когда основным пищевым ресурсом бактерии стано-

вится лактоза. Фермент пермеаза способствует проникновению лак-

тозы внутрь клетки. Трансацетилаза непосредственного отношения

к утилизации лактозы не имеет. Функция ее окончательно пока

еще не выяснена. Известно лишь, что регуляция активности гена

ас происходит одновременно с регуляцией генов Z и у. Жакоб и Моно

высказали предположение, что количество и-РНК, транскрибируемой

с генов Z, у и ас, зависит от наличия белка, способного блокировать

ее синтез,— белка-репрессора. На основании этого они пришли к за-

ключению, что в клетке существуют две различные генетические

системы, участвующие в процессе синтеза белка. Одна система пред-

ставлена структурными генами, кодирующими последовательность

аминокислот в белковой молекуле, т. е. определяющими структуру

фермента или какого-то иного белка. Как правило, различные

ферменты кодируются разным числом структурных генов. Так,

лактозная область Е. coli включает 3 гена, гистидиновая (his) — 9,

триптофановая (thr) — 5. Все эти гены обычно составляют одну

группу сцепления, но иногда они разбросаны вдоль хромосомы.

Вторую систему образуют гены-регуляторы, ответственные за

«включение» или «выключение» работы структурных генов. Ген-

регулятор, или ген репрессора (i), кодирует особый белок — белок-

репрессор, который постоянно синтезируется с очень низкой скоро-

стью, присутствует в клетке в небольшом количестве (10—20 моле-

кул) и обладает сродством к гену-оператору — присоединяется к

нему и прекращает транскрипцию лактозных генов. По размерам

ген-регулятор существенно не отличается от структурных генов, но

находится в другом месте бактериальной хромосомы. Ген-оператор

не кодирует никакого белка. Он значительно меньше среднего

структурного гена, располагается в начале группы структурных ге-

нов, отделяя от них промоторный участок, к которому прикрепляется

РНК-полимераза. Чтобы транскрибировать структурные гены, РНК-

полимераза должна миновать операторный участок. Это проясняет

роль репрессора: находясь на операторе, он препятствует синтезу

и-РНК. Иными словами, доступ РНК-полимеразы к структурным

генам закрыт, и они не могут транскрибироваться. Механизм взаимо-

действия белка-репрессора с геном-оператором пока не совсем ясен.

В последнее время было установлено, что в структуре белка-

репрессора имеются две а-спирали. Они очень хорошо укладываются

в широкие спиральные желобки ДНК гена-оператора. При этом

между аминокислотными остатками белка-репрессора и парами ну-

клеотидов гена образуются водородные связи. Белок-репрессор имеет

два специфических центра: один из них обладает сродством со

всей нуклеотидной последовательностью оператора или с ее частью,

другой — с молекулой индуктора. Когда репрессор связан с индукто-

ром, во втором центре активность его снижается и ген-оператор

освобождается от репрессора.

Система, состоящая из структурных генов, промотора и гена-

оператора, получила название оперон.

У Е. coli в обычных условиях роста (на глюкозе) система

оперона находится в репрессированном (подавленном) состоянии.

При этом белок-репрессор прочно связан с оператором и препятствует

прохождению РНК-полимеразы. Структурные гены в данном случае

не транскрибируются и и-РНК не образуется (рис. 52, а). Если же в

питательной среде вместо глюкозы появляется лактоза, вследствие

чего возникает потребность в ферменте, расщепляющем ее, на-

ступает дерепрессия лактозного оперона (рис. 52, б). Лактоза выпол-

няет функцию индуктора, который связывает молекулы белка-репрес-

сора, освобождая от него оператор. В этом случае РНК-полимераза

может пройти участок оператора и приступить к транскрипции

структурных генов.

Все гены лактозного оперона транскрибируются в одну общую

РНК, которая затем транслируется и в результате образуются три

белка. Единицей транскрипции — транскриптоном в данном случае

служит структурная часть оперона. После того как все молекулы

лактозы утилизируются, репрессор освобождается от индуктора и

белок-репрессор снова активно связывается с оператором, прекращая

тем самым транскрипцию. При такой регуляции транскрипции

оперон постоянно находится в репрессированном состоянии и ин-

дукция синтеза ферментов наступает только в присутствии вещества,

на которое они действуют.

При регуляции работы генов, контролирующих синтез анаболи-

ческих ферментов, исходным состоянием оперона является активная

транскрипция структурных генов. В результате транскрипции образу-

ется и-РНК, которая участвует в трансляции и обусловливает синтез

того или иного конечного продукта (например, аминокислот трип-

тофана, гистидина и т. д.). Одновременно в активном состоянии

находится и ген-регулятор. Его и-РНК участвует в образовании

белка-репрессора. Однако этот репрессор (апорепрессор) неактй"бен1

Поэтому он не связывается с оператором и не препятствуед^^

транскрипции. Синтез ферментов идет только до тех пор, пока конеч-

ного продукта в клетке недостаточно или вообще нет. Избыток

конечного продукта (эффектор) выступает в роли корепрессора,

образующего с апорепрессором активный комплекс — холорепрессор.

Последний через ген-оператор подавляет транскрипцию структурных

генов (рис. 53). По такому типу регулируется, например, синтез

ферментов, участвующих в образовании гистидина у бактерий мы-

шиного тифа (Salmonella typhimurium). В этом случае синтез фер-

мента прекращается после появления избыточного количества самого

гистидина, который переводит репрессор из неактивного состояния в

активное.

Обе описанные системы регуляции синтеза белка называют не-

гативными, так как в обоих случаях белок-репрессор препятствует

транскрипции.

При изучении регуляторных механизмов размножения фага А, в

бактериальных клетках было установлено, что эти механизмы вклю-

чают не только негативный контроль (подавление синтеза и-РНК

репрессором), когда синтез белка может идти лишь при отсутствии

репрессора, но и активный позитивный контроль, при котором

синтез информационной РНК зависит от специальных генов-актива-

торов.

В геноме фага X можно выделить «ранние», «средние» и «поздние»

гены. В экспрессии этих генов различают три стадии. На первой

стадии, сразу после инфицирования фагом бактериальной клетки,

происходит активная транскрипция «ранних» генов, что приводит к

появлению и-РНК для двух видов специфических белков: п и Сго.

Белок служит позитивным белком-регулятором, так как позволяет

потоку транскрипции преодолеть терминаторные участки и способ-

ствует продолжению транскрипции уже второй группы генов. Транс-

крипция на второй стадии приводит к образованию продукта гена

Q, который активизирует действие «поздних» генов. Если фаг выбира-

ет лизогенный путь развития, то транскрипция на этом заканчивает-

ся. Если развитие фага пойдет по литическому пути, активизируются

и «поздние» гены. Это осуществляется на третьей стадии.

В последнее время установлено, что на состояние генной функ-

циональной активности оказывают влияние и так называемые

подвижные элементы генома (см. гл. 8).

Все описанные системы регуляции генной активности свойственны

для прокариот. Механизмы регуляции активности генов у эукариот

менее изучены. Это объясняется тем, что, во-первых, эукариоты

являются в основном многоклеточными организмами со сложными

межклеточными взаимодействиями, во-вторых, тем, что их клетки и

ткани отличаются друг от друга значительным количеством специ-

фических белков. У эукариот имеются гены, функционирующие во

всех клетках организма. Они ответственны за синтез важнейших

макромолекул и выполнение универсальных клеточных функций.

Ф. Айала (1988) называет их генами «домашнего хозяйства». Другая

же группа генов у эукариот функционирует только в тканях опреде-

ленного типа и отвечает за специализированные клеточные функции

(гены «роскоши», по выражению Айала). К таким генам относятся,

например, гены, контролирующие синтез миозина в мышцах, гемо-

глобина — в эритроцитах и т. д. Для этой группы генов характерна

избирательная функциональная активность в одних клетках и репрес-

сия в других. Степень активности генов в клетках зависит от

стадии их развития и типа органов и тканей.

Возможно, в основе регуляции генной активности у эукариот ле-

жат те же механизмы, что и у прокариот. Так, механизмы регу-

ляции активности отдельных генов эукариот (синтез фермента

мелитазы у дрожжей, пигмента антоциана в эндосперме кукурузы,

функция локуса white в Х-хромосоме у дрозофилы и др.) напоминают

негативную регуляцию у прокариот. У эукариот и прокариот сходны

также строение оперонов, системы специализированных регулятор-

ных белков и принципы их взаимодействия с регуляторными участка-

ми ДНК. Однако у эукариот имеется несколько типов белков-репрес-

соров и активаторов; отличительными особенностями обладают и их

транскриптоны (рис. 54). Гены, отвечающие за определенный био-

синтез, не всегда сосредоточены в пределах одного оперона. Иногда

они локализуются в разных участках генома, и тогда информация,

поступающая со многих генов, ответственных за одну какую-то

функцию, считывается одновременно и, кроме того, вместе с информа-

цией, которую несут операторные участки. Так что ядерная и-РНК у

эукариот содержит участки и структурной информативной и акцеп-

торной неинформативной зон. Впоследствии информативная зона

претерпевает сплайсинг (вырезание интронов), а затем молекула

и-РНК разделяется на участки, комплементарные отдельным струк-

турным генам. Неинформативная же зона деградирует и распада-

ется на нуклеотиды.

Следовательно, у эукариот контроль за образованием и-РНК

осуществляется в ядре на уровнях транскрипции и сплайсинга.

Сложность регуляции генной активности у эукариот связана не

только с многоклеточностью и мозаичностью генов, но и с некоторыми

особенностями клеточной структуры. В их клетках имеются обширные

внутренние мембраны, цитоплазматические структуры, три типа

РНК-полимераз (р-РНК-, т-РНК- и и-РНК-полимеразы). Для них ха-

рактерно нуклеосомное строение хроматина, что обусловливает до-

ступность или, наоборот, недоступность отдельных участков ДНК

для действия РНК-полимеразы. Следовательно, у эукариот хроматин

также может выполнять функции регулятора транскрипции. Осо-

бенностью регуляции генной активности у эукариот является и спо-

собность их и-РНК длительно сохраняться.

В большей степени у эукариот развита и так называемая

групповая регуляция активности структурных генов. При репрессии

происходит одновременное групповое подавление активности генов на

отдельном участке хромосомы, во всей хромосоме или во всем ядре.

Вероятно, такая регулировка работы генов осуществляется с помо-

щью гистонод. Примером групповой регулировки может служить пол-

ное прекращение транскрипции всех генов, происходящее при спер-

матогенезе у животных. Гены в ядре сперматозоида совершенно

неактивны. Поэтому их повреждение не сказывается на жизнеспо-

собности и функционировании сперматозоида и проявляется лишь

после оплодотворения, когда у зародыша активизируются все отцов-

ские гены.

У млекопитающих в процессе онтогенеза может подавляться

активность всех генов в одной половой хромосоме (гипотеза

Лайона). Это может происходить под влиянием эндокринных воздей-

ствий (половые гормоны, гормоны роста, гормоны щитовидной же-

лезы и др.). В таких случаях гормоны выступают в роли эмбрио-

нальных индукторов, связывающих белок-репрессор. Изменение ген-

ной активности может происходить также под влиянием нервных и

стрессовых раздражителей. Например, эукариотические клетки в от-

вет на тепловой шок могут синтезировать небольшое количество

белков.

ЛИТЕРАТУРА

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М., 1988. Т. 2.

Алиханян С. И., Акифьев А. П., Чернин Л. С. Общая генетика. М., 1985.

Гершензон С. М. Основы современной генетики. Киев, 1979.

Зуссман М. Биология развития. М., 1977.

Инге-Вечтомов С. Г. Введение в молекулярную генетику. М., 1983.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М., 1989.

Ленинджер А. Основы биохимии. М., 1985. Т. 3.

Льюин Б. Гены. М., 1987.

Роллер Э. Открытие основных законов жизни. М., 1978.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М., 1981.

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1978.

Глава 3. ОСНОВЫ РАЗМНОЖЕНИЯ

В природе существуют два способа раз-

множения: бесполое и половое.

Прокариотам свойственно бесполое размножение путем простого

деления. Бактериальная клетка начинает делиться, как только до-

стигнет «критических» размеров (увеличивается примерно в два ра-

за). При эт<^м она суживается посередине и делится на две одинако-

вые половинки. Дочерние клетки растут, достигают размеров мате-

ринской клетки и также делятся. Скорость размножения бактерий

довольно высокая: некоторые из них делятся каждые 20—30 мин.

Однако удвоение ДНК у прокариот по времени не всегда совпадает

с делением клетки. Поэтому встречаются бактерии с 1—4 нуклеои-

дами.

Половой процесс у бактерий, как уже отмечалось (см. гл. 2),

представляет собой один из способов обмена генетической информа-

цией и сводится к перемещению из клетки-донора в клетку-реци-

пиент либо специфической половой плазмиды, либо хромосомного

фрагмента. Причем клетки, не имеющие полового фактора, лишь

принимают информацию, но не передают ее. Таким образом, обмен

генетической информацией у бактерий носит односторонний харак-

тер. Половой процесс у них сам по себе не приводит к увеличению

их числа. К делению каждая бактерия приступает по завершении

конъюгации.

Эукариоты размножаются и бесполым, и половым путем. В бес-

полом размножении участвует только одна родительская особь или

клетка, поэтому новое потомство оказывается идентичным ей по

признакам и свойствам. В половом размножении, как правило, при-

нимают участие две особи: материнская и отцовская. В результате

слияния их половых клеток при оплодотворении образуется зигота.

По признакам ома никогда не бывает полностью тождественна ни

одной из родительских особей.

Существуют виды, у которых одна особь имеет и женские и муж-

ские половые клетки. К ним относятся однодомные растения и гер-

мафродитные формы животных. При размножении у них происходит

перекрестное оплодотворение, и поэтому обмен наследственной ин-

формацией между разными особями не исключается. В то же время

у растений бывает и самоопыление. В таких случаях нормальное

половое размножение с образованием гамет двух типов обеспечивает-

ся одной особью и потомство по признакам и свойствам оказывается

ей почти тождественным.

Митоз

Митоз (от гр. mitos — нить), кариокинез, или непрямое деление

клетки, представляет собой процесс равномерного распределения

между дочерними клетками ядерного наследственного материала.

Митоз лежит в основе бесполого размножения у эукариот. Ему

предшествуют сложные процессы удвоения запаса наследственной

информации клетки. Они протекают в ядерных и цитоплазматических

структурах, причем только первые способны скрупулезно точно рас-

пределяться между ядрами дочерних клеток.

Время существования клетки от начала одного деления до начала

следующего деления называется клеточным циклом. Конец

жизненного цикла клетки совпадает с ее делением либо с гибелью.

Клеточный цикл подразделяется на две стадии: на интерфазу и

митоз.

В интерфазе различают три периода: пресинтетический (Gi),

синтетический (S) и постсинтетический (G2).

Пресинтетический период начинается сразу после завершения ми-

тоза. Клетка в этот период растет. В ее ядре происходит активная

транскрипция, в результате чего образуются молекулы и-РНК- Они

поступают в цитоплазму и включаются в синтез белка, необходимого

для построения дочерних клеток. Установлено, что клетка, вступаю-

щая в Gi-период, содержит вдвое меньше белков и и-РНК по сравне-

нию с клеткой, вступающей в митоз. Продолжительность Gi-периода

у разных организмов в разных клетках и тканях различная

(например, в клетках культуры ткани млекопитающих она составля-

ет около 10 ч).

Синтетический период — это период синтеза ДНК. В это время в

клетке происходит также синтез белков, необходимых для построения

хромосом. Завершается S-период редупликацией хромосом. Продол-

жительность его зависит в основном от скорости репликации ДНК

и составляет от 30 мин (у дробящихся клеток морского ежа) до