Ирина Мальцева - Эпигенетика. Управляй своими генами

Эпигеном подразумевает наличие механизмов, направленных на длительное программирование генной экспрессии (активности). Это управление осуществляется с помощью биохимических реакций, контролируемых конкретными ферментами. На сегодняшний день наиболее известны несколько механизмов. Это метилирование ДНК, ковалентные модификации ядерных белков (гистонов), входящих в состав хроматина, и эффекты микроРНК.

Для того чтобы чувствовать себя как рыба в воде, читая далее сведения из научных исследований, нам предстоит разобраться в терминологии, касающейся генов, ДНК, РНК, хроматина, хромосом и т. д. Мы просим вас сделать сейчас несколько приседаний, чтобы добавить крови в мозг, и нырнуть в море биологических терминов, пересыпаемых прибаутками от авторов. На всякий случай мы разбавили текст картинками, а картинки любят все (даже если вы делаете вид #триждыедваненагражденного ученого или врача!).

Человек состоит из клеток – соматических и половых, в каждой (в ее ядре) соматической клетке (обычной, не половой) есть 23 пары хромосом, в половой – один набор хромосом, которые представляют собой упакованные в хроматин молекулы ДНК, намотанные на множество катушек-нуклеосом, состоящих из 8 специальных белков – гистонов. ДНК является совокупностью генов, которых, как мы говорили раньше, по разным подсчетам, от 18 тысяч до 30 тысяч (у человека). Гены состоят из нуклеотидов, содержащих аденин, тимин, гуанин и цитозин. Гены способны давать нам информацию о белках и РНК, которые нужны нам для процесса жизнедеятельности. Благодаря сигналам из окружающей среды гены могут по-разному проявлять свою активность ( экспрессию), и один ген может отвечать за выработку многих белков, но иногда для выработки одного белка может потребоваться не один ген, а несколько.

Экспрессия генов– процесс, в котором наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт – РНК или белок. Экспрессия может регулироваться на всех стадиях: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков.

Рис. 6. Уровни организации генетического материала в клетках человека

Ген —участок ДНК, в котором закодирована информация о строении одного белка.

Рис. 7. Ген – участок ДНК

Ген состоит из нескольких пар нуклеотидов– азотистых оснований, связанных с углеводными остатками и остатками фосфорной кислоты.

Азотистые основания бывают пуриновыми (аденин – А, гуанин – Г)и пиримидиновыми (цитозин – Ц, тимин – Т). Через комплементарные соединения (как ключ и замок) пуринового и пиримидинового оснований нуклеотидов А-Т и Ц-Г, а также через связи углеводистых и фосфорных остатков возникает прочная связь между нуклеотидами.

Если представить ген в виде вагонов поезда, то слева направо будут стоять два особенных вагона – промотор и оператор. Они представляют собой регуляторную область гена.

Рис. 8. Строение нуклеотида. Нуклеотид состоит из азотистого основания, углеводного остатка и остатка фосфорной кислоты

Промотор– последовательность, с которой связывается фермент полимераза в процессе инициации (начального этапа) транскрипции.

Рис. 9. Строение гена, его области, выполняющие различные функции (Источник: childrenscience.ru)

Оператор– это область, с которой могут связываться специальные белки – репрессоры, которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена, иначе говоря, уменьшать его экспрессию.

Далее идет состав из трех вагонов, который называется единицей транскрипции(транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез иРНК или мРНК). Слева и справа этого состава находятся два коротких вагона – нетранслируемые 5’-и 3’-последовательности.Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например обеспечивают посадку рибосомы [6] Рибосома – важнейшая немембранная органелла всех живых клеток, служащая для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). на иРНК. В середине длинный вагон – кодирующая последовательность– основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодонаи заканчивается стоп-кодоном.

У эукариот(одноклеточных и многоклеточных организмов, имеющих ядро и органеллы в клетке), в том числе и у человека, кодирующая последовательность гена чаще всего разделена на транслируемые участки – экзоныи нетранслируемые участки – интроны.

Правее всех находится отдельный вагон, называемый терминатором– нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

Все вагоны поезда едут вместе, просто в разных вагонах происходят разные события.

Для справки:

Транскрипция– процесс синтеза информационной иРНК (или матричной – мРНК)с целью переписывания информации о будущем белке с того участка гена на молекуле ДНК, который называется единицей транскрипции. В процессе транскрипции двухспиральная молекула ДНК раскручивается на 2 витка спирали, затем опять скручивается после ее завершения.

РНК– рибонуклеиновая кислота – одна из трех основных макромолекул (две другие – ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и выражении генов.

РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Набор азотистых оснований в РНК немного отличается от набора в генах и ДНК – вместо тимина в РНК находится урацил (У). Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют матричную РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.