Николай Курчанов - Генетика человека с основами общей генетики. Учебное пособие

Таким образом, с учетом явления обратной транскрипции, общая схема передачи информации в природе стала представляться следующим образом:

Особую остроту в генетике приобрел «запрещенный» перенос – от белков к нуклеиновым кислотам. Само название указывает на принципиальную невозможность наследования модификационных изменений белков. Но как уже говорилось выше, в истории генетики этот вопрос вновь и вновь оказывался в центре дискуссий. Не поставлена точка и в настоящее время.

Сенсационным стал результат анализа прионных болезней. Он оказался столь неожиданным, что поставил под сомнение незыблемость центральной догмы биологии (Инге-Вечтомов С. Г., 2000).

Прионы– это инфекционные агенты, вызывающие ряд нейродегенеративных заболеваний. Патогенез прионных заболеваний принципиально отличен от патогенеза всех других известных инфекционных болезней, поскольку прионы лишены нуклеиновой кислоты и представляют собой белки. Основной вклад в исследования прионов внес американский биохимик, лауреат Нобелевской премии С. Прусинер (Prusiner S., 1998). Он же предложил и термин «прион» ( Proteinciuos infection ).

Белок-прион обозначается как PrP Sc.Он гомологичен обычному клеточному белку (255 аминокислотных остатков) – PrP C, находящемуся в клетках нервной системы, некоторых тканей и лимфоцитах. PrP Scи PrP Cимеют одинаковую первичную структуру, но различаются по вторичной и третичной структурам. Они кодируются геном, весьма похожим у всех млекопитающих. У человека этот ген расположен на 20-й хромосоме. Он характеризуется выраженным полиморфизмом: в настоящее время у человека обнаружено 15 его вариантов (Ещенко Н. Д., 2004).

Прионы образуются путем посттрансляционной модификации нормального клеточного белка PrP C. Благодаря такой модификации прионы приобретают свойства инфекционности. Молекула PrP C, сталкиваясь с молекулой PrP Sc, меняет свою конфигурацию и сама становится PrP Sc. Инфекционность прионов, т. е. воспроизводимость их модифицированной структуры даже в другом организме, является самой большой загадкой. Единичный прион превращает все вновь синтезированные полипептиды клетки с близкой ему первичной структурой в свое подобие. Таким образом, белки-прионы выступают в роли матрицы, вызывая изменение вторичной и третичной структуры(рефолдинг) клеточного белка PrP C.

Возможным объяснением этого явления может служить гипотеза конформационных матриц – наличие в клетке двух категорий матричных процессов: для последовательностей мономеров и для конформации молекул (Инге-Вечтомов С. Г., 2000). Такой взгляд заставляет еще раз пересмотреть центральную догму биологии и внести в нее необходимые изменения.

Однако в молекулярной природе прионов еще очень много неясного, поэтому следует остерегаться скоропалительных выводов. Прионы в настоящее время интенсивно изучаются. Причиной столь пристального внимания служит не только большой теоретический интерес, но и неизлечимость на сегодняшний день прионных болезней.

В клетках прокариот процессы транскрипции и трансляции протекают почти одновременно, поэтому весьма сложно внести какие-либо изменения в структуру синтезированной РНК. Регуляция генной активности прокариот практически полностью осуществляется на уровне транскрипции. В 1961 г. французские ученые (будущие нобелевские лауреаты) Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили модель оперонакак системы регуляции экпрессии генов бактерий (Jacob F., Monod J., 1961). Важнейшей областью оперона (как и генов эукариот) является промотор– структура для «старта» процесса транскрипции, к которой присоединяется фермент РНК-полимераза. Помимо промотора Ф. Жакоб и Ж. Моно выделили в своей схеме и другие участки (рис. 6.5):

– оператор – участок присоединения белка-репрессора;

– терминатор – участок окончания синтеза генов оперона;

– ген-регулятор , кодирующий белок-репрессор. Ген-регулятор не входит в состав оперона. Он может быть с ним сцеплен, а может находиться на некотором расстоянии.

Белок-репрессор соединяется с оператором и блокирует транскрипцию, так как препятствует перемещению РНК-полимеразы. Весь оперон оказывается «выключен».

При наличии в среде индуктора(им часто служит какое-либо низкомолекулярное соединение) он взаимодействует с белком-репрессором , в результате чего репрессор не может присоединиться к оператору. Свободный оператор «открывает путь» РНК-полимеразе , и все геныоперона транскрибируются. При удалении индуктора репрессор вновь занимает место на операторе, и транскрипция прекращается.

Рис. 6.5. Структура оперона:

I – ген-регулятор; Р – промотор; О – участок-оператор; С 1, С 2, С 3– структурные гены оперона; Т – терминатор

Такой механизм получил название негативной регуляции и впервые был исследован на лактозном опероне E. coli , где роль индуктора выполняет лактоза . При негативной регуляции гены транскрибируются, если они не выключены регуляторным белком ( белком-репрессором ).

Затем у бактерий был описан механизм позитивной регуляции. При этом способе структурные гены транскрибируются только в присутствии белка-активатора (апоиндуктора ). Белок-активатор часто предварительно связывается с ц-АМФ .

Индукторы (обычно это используемые бактериями питательные вещества), белки-репрессоры и белки-активаторы находятся в отношениях обратной связи (положительной и отрицательной), формируя 4 варианта регуляции активности оперона (табл. 6.2).

Таблица 6.2. Регуляция активности оперонов прокариот

Один и тот же регуляторный белок может быть репрессором для гена А и активатором для гена В. С другой стороны, для активации некоторых оперонов необходимо два регуляторных белка, которые предварительно соединяются друг с другом.

Гены-регуляторы, синтезирующие белок-репрессор и белок-активатор, принципиально не отличаются от структурных генов, также обладая собственными промоторами и терминаторами.

Основным преимуществом оперонной регуляции для прокариот является синхронизация активности генов одного кластера. Выживаемость бактерий во многом зависит от их способности быстро переключать метаболизм с одного субстрата на другой. С эволюционной точки зрения скорость переключения для бактерий важнее тонкости регуляции.