Регуляция генной активности

Функциональная неравнозначность клеток и связанная с ней репрессия и активация генов давно привлекали внимание генетиков, но до последнего времени реальный механизм контроля генной активности оставался неизвестным.

Первые попытки объяснить регуляторную активность генов были связаны с изучением гистонных белков. Еще супруги Стэдман в начале 40-х годов нашего века высказали мысль, что именно гистоны могут выполнять роль контролеров активности генов. В своих дальнейших работах они получили первые четкие результаты о различиях в химической природе гистонных белков. Обобщая полученные данные, они писали: «Физиологические функции ядер являются, вероятно, следствием присутствия генов, которые они содержат. Они (гены — В. С.) должны поэтому быть идентичными во всех ядрах данного организма. Если, однако, предположить, что ядра содержат некоторый механизм для подавления активности отдельных генов или групп генов и что этот механизм специфичен для каждого типа клеток, эти трудности исчезнут. Продемонстрированные нами данные, что некоторые основные белки, имеющиеся в клеточных ядрах, являются, несомненно, клеточно-специфичными, приводят к гипотезе, что одна из физиологических функций заключается в том, чтобы действовать в качестве репрессоров генов» Эта догадка получила некоторое подтверждение в более поздних работах Дж. Боннера, Ру-Чи-Хуанга, Тсьо и других.

Сейчас несколько коллективов исследователей интенсивно работает в этой области. Объем данных, свидетельствующих в пользу этой гипотезы, довольно велик, и можно полагать, что она получит экспериментальное подтверждение.

В то же время все большее количество фактов говорит за то, что регуляция генной активности гораздо более сложный процесс, нежели простое взаимодействие участков генов с молекулами гистонных белков. Об этом в первую очередь свидетельствуют- эксперименты по регуляции генов у микроорганизмов (см.

В 1960—1962 гг. в лаборатории Р. Б. Хесина-Лурье удалось выяснить, что гены фагов начинают считываться не одновременно. Было показано, в частности, что гены фага Т2 можно разделить на ранние, работа которых падает на первые минуты заражения бактериальной клетки, и поздние, начинающие синтезировать иРНК после завершения работы ранних генов.

Четкая координированность действия генов и их своеобразная иерархия была доказана Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961). Они показали, что гены бактерий можно условно разделить на два различных типа — структурные гены, дающие информацию о синтезе определенных белков (ферментов) , и регуляторные гены, следящие за включением и выключением отдельных генов или их блоков в зависимости от метаболических по- требностёй клетки. По представлениям Жакоба и Моно, регуляторные гены должны детерминировать осооые молекулы репрессоров, которые, соединяясь с другими генами регуляторной системы — генами-оператора- ми, управляют работой последних. Тем самым Жакоб и Моно разделили гены регуляторной системы в свою очередь на два типа — гены-регуляторы и гены-операторы В экспериментах с кишечной палочкой они смогли дать принципиальное доказательство существования этих типов. По их данным, ген-регулятор находится на некотором отдалении от структурных генов, управляемых им, а оператор непосредственно к ним примыкает. Авторы ввели в генетику новое понятие, определив блок структурных генов и управляющий ими оператор как единую функциональную единицу — оперон.

В последние годы были получены данные о наличии еще одной управляющей ячейки генной активности — промоторе. Оказалось, что по соседству с операторным участком, к которому присоединяется продукт — белковое вещество репрессор, синтезированный на гене-регуляторе, имеется другой участок, который также следует отнести к членам регуляторной системы генной активности. К этому участку присоединяется молекула фермента РНК-полимеразы. В этом промоторном участке должно произойти взаимное узнавание уникальной последовательности нуклеотидов в ДНК и специфической конфигурации белка РНК-полимеразы.

Таким образом, схема взаимодействия гена-регулятора, оператора, промотора, ферментов и рибосом, участвующих в синтезе специфических белков, может быть представлена следующим образом (см. рисунок): на гене-регуляторе синтезируется вещество белковой природы — репрессор. Последний может воздействовать на операторный участок — выключать (или в некоторых случаях включать) его. Репрессор, кроме того, может взаимодействовать с метаболитами, синтезируемыми под контролем специфических генов. Если метаболиты накопились в достаточном количестве, они, взаимодействуя с репрессором, изменяют его конфигурацию, и он отсоединяется от операторного участка. В том случае, когда оператор находится в состоянии, при котором он и находящиеся под его контролем структурные гены могут функционировать, к промоторному участку присоединяется-молекула РНК-полимеразы, начинающая считывать информацию с данного оперона. Информация считывается в виде последовательности оснований в молекуле иРНК. К концу этой иРНК присоединяется рибосома и, продвигаясь вперед, считывает информацию с иРНК, в результате чего синтезируется полипептидная цепь. Вслед за первой рибосомой присоединяется вторая, за ней третья и т. д. Таким образом осуществляется взаимно скоординированное функционирование частей бе- лок-синтезирующего аппарата.

Такова картина синтеза белка в бактериальных клетках. В100 клетках высших организмов она оказалась несколько иной: молекулы иРНК после окончания их синтеза отделяются от матрицы ДНК и скапливаются в цитоплазме. Предполагают, что они переходят в цитоплазму соединенными со специальными белками (возможно, близкими к гистонным белкам).

ЛЛЛЛЛ/WY

mm

I

Схема генетической регуляции белкового синтеза, по Жакобу и Моио (1961)

1 — регуляторный ген; 2 — оператор; з — структурный ген А; 4 — структурный ген В; 5 - ДНК; 6 — репрессор; 1 — РНК; 8 — регуляторный метаболит; 9 — аминокислоты; 10 — фе] мент А; 11 — фермент В ГР I // I 0 I ГГ, \ сгх 1 4-Л 1 Щ- ' ГР 1 л СГ, 1 СГг 1 СГ., Ш Pen/jet

?Схема, поясняющая взаимодействие регуляторных и структурных генов при синтезе белка (по 'Жакобу и Моно, 1961)

іГР — ген-регулятор; Я — промоторный участок; О — операторный участок; СГи СГг и СГ3 — первый, второй и третий структурные гены, входящие в данный оперон ТП—г

J I L

і.

тт гт?

I I II I

гт

-I, 1-І—L

4т

1 "Г1 г

-I J 1 I LJ 1111

— \/ яш

T7V~7— JffSff/tyff-

\ леаяа

-| т Г т

I .J-. I I.

.1 I I -1—1 I-

-L-J—I.

J I I I L

/7ffj7UAfe/7aSa

ГЛ

Т 7 ГТ J -1..L. .1

J—L

Jueasa ТТ ГІ

XXX

'II I Г ! / I

ТТ

I I I I I I I I I I I II

^7//7

tSfls

Схема темновой репарации (по Сойферу, 1969)

а — исходная ДНК; б — повреждение ДНК, нанесенное каким-либо мутагеном, дающим репарабельные повреждения; в — надрез нити ДНК вблизи повреждения ферментом эндонуклеазой; г — вы- щепление из ДНК поврежденного фермента с помощью другой эндонуклеазы или же экзонуклеазы; 9 — расширение бреши экзонуклеазой; е — застройка бреши полимеразой; ж — соединение застроенных концов репарирующей лигазой

Новой главой в развитии молекулярной генетики стало учение о системе репарирующих ферментов, исправляющих повреждения генетические структур, вызванные облучением или обработкой химическими агентами. Первоначально репарирующие системы были найдены только у бактерий и фагов. В настоящее время получены данные, свидетельствующие о том,, что репарация активно осуществляется у грибов, водорослей, а также в

клетках высших животных и растений. S'-г-г—і—г-i—і—і—і—і—і—і—і—і—З'ОН Ранее всего изученным типом

репарации является фотореактивация, впервые описанная А. Кельнером и В. Ф. Ковалевым (1949). Под фотореактивацией понимают восстановление нормальной жизнедеятельности клеток

(возобновляется синтез отдельных ферментов, способность к делению и размножению, снижается частота мутаций и т. д.), облученных ультрафиолетовым светом, после их пребывания на видимом свете. Обязательным условием реакции фотореактивации является наличие специального фотореактивирующего фермента. В настоящее время он выделен и очищен (К. Руперт, А. Мухаммед).

Было установлено также, что репарация может происходить не только при освещении облученных ультрафиолетом клеток видимым светом, но и в темноте (А. Герен, Н. Зиндер, 1955; Р.

участка с концом старой нити ДНК. Последняя реакция связана с участием вновь открытого фермента — полинуклеотидлигазы.

Оказалось, что реакция темновой репарации распространена в органическом мире гораздо шире. Так, в последнее время темповая репарация была, найдена и в растительном мире — у синезеленых водорослей (С. В. Шестаков и др., 1974), у целостных высших растений (В. Н. Сой- фер и К. К. Циеминис, 1973) и в протопластах растительных клеток (Г. Хоуленд, 1975). Это объясняется многими причинами. Во-первых, при темновой репарации могут восстанавливаться повреждения, нанесенные агентами как лучевой, так и химической природы. Есть основания полагать, что репарирующие ферменты системы темновой репарации узнают любые изменения в структуре ДНК, нарушающие правильность ее двойной спирали (нарушения вторичной конфигурации ДНК), вырезают их и восстанавливают исходную структуру. Во-вторых, некоторые из ферментов, принимающие участие в акте темновой репарации, например полинуклеотидлигаза и полимераза, проявляют свою активность и в других важнейших жизненных процессах — репликации ДНК (Р. Оказаки, 1968—1970), рекомбинации (П. Говард-Фландерс, 1966; Томизава, 1968), мутагенезе (Ш. Ауэрбах, А. Назим, 1967; Э. Виткин, 1968; В. Н. Сойфер, 1969, 1970). О широком распространении систем темновой репарации свидетельствует и описание большого числа генов, обусловливающих протекание этой реакции.

В настоящее время описано большое число других систем репарации, приводящих к тому же результату, но отличающихся друг от друга по молекулярным механизмам. В числе этих реакций следует прежде всего упомянуть пострепликативную репарацию, осуществляющуюся в ходе репликации ДНК и после ее окончания. Ныне широко исследуется ультрафиолетовая реактивация, осуществляющаяся при слабом облучении бактериальных клеток УФ-лучами, и затем инфицированных фагами, облученными высокими дозами УФ. Описаны тепловая, каталазная реактивации, реактивация в жидкой среде и другие виды репараций.