Майя Горина - Сборник статей. Часть 9 [Калибрятина]

бактерии - простая модель одного из основных биологических процессов: включения и

выключения генов. Гены определяют структуру всех молекул, из которых состоят живые клетки. В

каждый момент любая клетка, от бактериальной до человеческой, использует лишь часть своих генов

для образования других молекул (то есть они - гены - экспрессируются). Мы говорим, что эти

экспрессирующиеся гены включены, а те, что не экспрессируются, выключены. Другими

словами, мы полагаем , что экспрессия генов регулируется.

Рассмотрим в качестве примера развитие особи из оплодотворенного яйца. Эта клетка, равно как и ее

потомки, делится, и данный процесс повторяется миллионы раз; при эгом каждая новая клетка

получает идентичный набор генов. Тем не менее одни клетки (например, те из которых состоят

волосы) выглядят и функционируют совершенно иначе, чем другие (например, клетки кожи), поскольку в этих разных клетках имеются разные гены. Самое главное, что гены передаются от

родительских клеток к потомству без изменений (за редким исключением), но при этом они могут по-

разному экспрессироваться в разных клетках.

Экспрессия гена регулируется не только в ходе развития, но и в течение жизни дифференцированной

клетки. Например, клетки кожи меняют свой цвет под действием солнечного света. Структура гена, отвечающего за пигментацию, не изменяется в ответ на освещение - просто внеклеточный сигнал, свет, включает этот ген. Еще один пример регуляции генов - раковые клетки делятся в таких условиях, когда деление соответствующих нормальных клеток не происходит. Одна из причин этого состоит в

том, что некоторые гены в этих клетках включены, тогда как они не должны работать.

Биологи давно хотели узнать, как включаются и выключаются гены при нормальном развитии и как

нарушается их регуляция при тех или иных заболеваниях. Нас интересуют молекулярные механизмы

регуляции генов и объединение этих механизмов в систему, обеспечивающую упорядоченное

включение и выключение групп генов, а также узнать, какие стадии в этой системе регулируются

внутриклеточными программами, а какие - внеклеточными сигналами.

Регуляция генов

Возвращаясь к исходному примеру - фагу X, мы можем теперь отдать должное прозорливости

первооткрывателей, которые распознали в росте этого вируса, и прежде всего в его способности идти

по двум путям развития, удобный для исследования пример регуляции экспрессии генов. Бактерии и

фаги (вирусы) быстро размножаются, благодаря этому регуляцию их (вирусов) генов можно изучать с

помощью генетических и биохимических подходов гораздо более эффективно, чем регуляцию генов в

клетках высших организмов. Теперь рассмотрим вкратце, что представляют собой гены и как они

работают. (Напомним, что ДНК - это дезоксирибонуклеиновая кислота). Начнем со структуры гена, участка молекулы ДНК, который сам по себе инертен, но несет информацию, закодированную в виде

последовательности азотистых оснований в двух цепях ДНК. Четыре основания, входящие в состав

молекулы ДНК,-аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С), - присоединены к двум взаимно

переплетающимся цепям ДНК, причем А одной цепи всегда спарен с Т другой, a G всегда спарен с С.

На рисунке показано, что при репликации (копировании) ДНК ее цепи расплетаются и затем каждая из

них копируется согласно правилам спаривания оснований.

123

При этом каждая родительская цепь

используется в качестве матрицы для

образования комплементарной (такой же) новой

цепи, и при делении клетки две дочерние клетки

получают комплементарные родительские гены.

Так происходит раздвоение генов и их

экспрессия (то есть образование новых молекул).

Первый этап экспрессии гена всегда одинаков:

последовательность одной из цепей ДНК

копируется в виде линейной молекулы РНК

(рибонуклеиновая

кислота),

последовательность другой - в виде ДНК. Мы

будем считать, что ген включен, если он

копируется с образованием РНК, и выключен,

если - нет.

Одни молекулы РНК являются конечными

продуктами, которые сами по себе выполняют в

клетке определенные функции. Другие РНК,

называемые матричными или информационными

( мРНК), направляют синтез других молекул -

белков. Существует множество различных белков

- это, например, структурные компоненты

клетки, антитела , ферменты и т.д. Последние

фактически выполняют всю работу в клетке, в том числе осуществляют транскрипцию и

репликацию ДНК.

Гены транскрибируются (переписываются в последовательность РНК) с образованием мРНК

под действием фермента, который называется РНК- полимеразой. Он перемещается вдоль ДНК при

помощи т.н. промотора. Работе РНК-полимеразы, транскрибирующей тот или иной ген, способствуют

или препятствуют « регуляторные» белки - они связываются с участками ДНК, называемыми

операторами. Белок, осуществляющий негативную регуляцию, препятствует транскрипции

(репрессор), а позитивную - - способствует ей (стимулирует ее). В книге показано , что

концентрация белка оказывает большое влияние, и описано, как регуляторные белки А,- репрессор

и Сто (способствующий транскрипции) связываются с ДНК и взаимодействуют с РНК-полимеразой, определяя, какие промоторы будут использоваться для транскрипции. Эти компоненты образуют в

совокупности генетический регуляторный механизм («переключатель генов»), который с

поразительной эффективностью изменяет экспрессию генов после того, как бактерию, содержащую фаг X в латентной форме, подвергают УФ-облучению. В (1) дана общая картина работы

генов фага X, когда фаг вызывает лизис клетки или, наоборот, переходит в латентную форму. Первые

несколько стадий регуляции генов при заражении фагом одинаковы в обоих случаях. На критическом

этапе один из фаговых регуляторных белков определяет, в каком состоянии находится "хозяйская"

клетка и как будут развиваться дальнейшие события. Этот этап «принятия решения» -

показательный пример того, как условия окружающей среды влияют на регуляцию работы

генов в ходе развития. Последовательность регуляторных событий каждого пути развития после