Реализация генетической информации

Вопрос о том, каковы закономерности эволюции онтогенеза был поставлен Ч. Дарвином в «Происхождении видов...». Макроэволюционный аспект этой проблемы был более четко сформулирован в работах Э.

К настоящему времени молекулярная биология, генетика развития и экспериментальная эмбриология накопили обширный арсенал фактов и обобщений, позволяющий взглянуть на индивидуальное развитие не только как на результат, но и как на основу дальнейшей эволюции организмов. Другими словами, выделить, наряду с генетическими и экологическими основами эволюции, онтогенетические основы исторического развития.

Данные молекулярной генетики позволяют проследить путь реализации генетической информации от начала транскрипции до формирования белковой молекулы, а в ряде случаев и до начала функционирования продукта экспрессии гена. Для понимания онтогенетических основ эволюции эти данные важны, во-первых потому, что они демонстрируют сложность процессов реализации генетической информации, а, во-вторых, маркируют границу между собственно генетическими процессами и процессами эпигенетическими — взаимодействиями белков — продуктов экспрессии генов.

Транскрипция

РНК-полимераза прокариот (E. coli), обеспечивающая транскрипцию всех генов бактерии, представляет собой сложный белковый комплекс, состоящий из пяти субъединиц, четыре из которых (РР'аа/) способны осуществлять все этапы транскрипции, за исключением инициации, осуществляемой пятой G-субъединицей. Сам процесс транскрипции условно делится на три этапа: инициация, элонгация и терминация. Эубактериям (E. coli) для инициации транскрипции достаточно функционирования комплекса РНК-полимеразы.

регуляторного комплекса. Таким образом, для транскрипции каждого гена эукариот необходимо участие множества генов, кодирующих те белковые факторы, совокупное действие которых обеспечивает точность и надежность инициации транскрипции.

Следующим этапом формирования мРНК являются посттранскрипци- онные процессы, называемые созреванием пре-мРНК, или процессингом пре-мРНК. У эукариот сразу же после инициации транскрипции к 5' концу мРНК присоединяется кэп-группа («шапочка»), необходимая для транспорта мРНК из ядра в цитоплазму, для стабилизации зрелой мРНК и для обеспечения нормальной трансляции. Кэпирование представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в котором участвуют рибонуклео- зид, фосфаты и ряд ферментов. Обязательным элементом редактирования пре-мРНК является полиаденилирование 3' концевых последовательностей, происходящее в два этапа. Другим важнейшим процессом созревания пре-мРНК является сплайсинг — вырезание интронов и соединение экзонов. Этот процесс происходит в ядре с помощью сложных комплексов — рибонуклеопротеидных (РНП) частиц, включающих малые ядерные РНК (Ul—U6) и многочисленные белки. Экспериментально показано, что существует четыре типа мутаций, нарушающих сплайсинг: (I) экзон может быть вырезан вместе с интроном (51% мутаций); (2) может возникнуть новый сайт сплайсинга (32% мутаций); (3) внутри интрона может возникнуть последовательность нуклеотидов, не вырезаемая из пре-мРНК (11 % мутаций); (4) невырезание интрона (6 % мутаций). Кроме сплайсинга пре-мРНК подвергается ряду других изменений, получивших общее название «редактирование».

Транскрипция и процессинг мРНК происходят в интерфазе клеточ ого цикла. Ядро в интерфазе представляет собой высокоупорядоченную и сложно структурированную систему. Теломерные участки хромосом прилегают к ядерной оболочке, ДНП образует петли, направленные внутрь ядра, причем активно транскрибируемые гены располагаются в этих петлях, во внутренней части ядра.

Еще одним фактором, регулирующим транскрипцию, является организация хроматина. От степени конденсированности хроматина зависит уровень экспрессии генов и расположение петель интерфазных хромосом. Таким образом, функционирующий генотип представляет собой сложную, высокоорганизованную систему, в которой специфика молекулярных взаимодействий упорядочена в пространстве и во времени, что достигается морфологической организацией ядра, сохраняющейся как динамически стабильная система.

Трансляция

Трансляция, как и транскрипция, подразделяется на этапы: инициации, элонгации и терминации биосинтеза полипептид ной цепи.

Функционирующая рибосома прокариот представляет собой сложный белковый комплекс, включающий две субъединицы. Общая масса рибосомы 2,5 мДа с коэффициентом седиментации 70S, малая субчастица рибосомы 30S, большая — 50S. В состав рибосомы входят 50—60 белков, рибосомная РНК и ассоциированные белки, участвующие в трансляции, но не находящиеся постоянно в составе субчастиц. Огромную роль в процессе трансляции играют изменения конформации белковых комплексов обеих субчастиц.

У эукариот трансляция включает те же, что у прокариот три этапа, но организована значительно сложнее, что коррелирует с большей сложностью организации зрелых мРНК эукариот. мРНК эукариот содержит не транслируемые последовательности нуклеотидов, такие как кэп-группа, необходимая для связывания мРНК с рибосомой, молчащий участок между кэп-группой и первым инициирующим кодоном AUG, называемым б'-концевой нетранслируемой областью и поли-А, то есть З'-концевой не- транслируемой областью. 5' нетранслируемая область имеет функциональное значение. Она образует структуры стебель-петля, влияющие на функционирование рибосомы, и содержит короткие транслирующиеся последовательности, влияющие на эффективность трансляции.

Экспрессия гена не ограничивается терминацией трансляции.

Уже из краткого и поверхностного обзора только начального этапа экспрессии гена можно сделать следующий вывод: ген можно рассматривать не только как структурную единицу, но и как функциональную. Это означает, что для формирования полипептидной цепи недостаточно просто нуклеотидной последовательности гена — необходимы продукты экспрессии других генов. Таким образом, признак не может быть моноген- ным даже на уровне первичных продуктов экспрессии гена. Тем не менее, существуют признаки фенотипа, наследование которых подчиняется законам Менделя, часто рассматриваемые как моногенные. На самом деле такой тип наследования является результатом отбора на преобразование (сблочивание) генетических механизмов фенотипического выражения этих признаков.

Сам сложнейший механизм экспрессии генов доведен до совершенства за 3,5 млрд лет эволюции. Поэтому вновь возникающие мутации всегда представляют собой нарушения этого процесса, снижающие приспособленность организма. He случайно мутационный анализ служит одним из основных методов изучения экспрессии генов in vivo. Нарушая различные этапы

транскрипции и трансляции, мутации позволяют выяснить, какие факторы и как влияют на эти процессы. Экспрессия генов осуществляется в каждой клетке. Поэтому от того какие гены и когда экспрессируются в процессе онтогенеза многоклеточных организмов, в значительной степени зависит то, как будет происходить индивидуальное развитие.