Регуляция транскрипции и трансляция в клетке

 Регуляция транскрипции и трансляции в клетке

Струк­ту­ра и функ­ции ге­не­ти­че­ско­го ма­те­ри­а­ла в дан­ный пе­ри­од вре­ме­ни изу­че­ны очень хо­ро­шо, но в ге­не­ти­ке есть еще нема­ло во­про­сов, ко­то­рые свя­за­ны с ме­ха­низ­ма­ми ре­гу­ли­ро­ва­ния ак­тив­но­сти опре­де­лен­ных генов. Клас­си­че­ская ге­не­ти­ка уста­но­ви­ла, что все клет­ки тела несут одни и те же гены, при этом клет­ки в мно­го­клет­ча­том ор­га­низ­ме силь­но раз­ли­ча­ют­ся по стро­е­нию и по функ­ци­ям, ко­то­рые они вы­пол­ня­ют. Ведь даже в одной клет­ке син­тез белка может идти по-раз­но­му, в за­ви­си­мо­сти от по­треб­но­сти этой клет­ки и об­сто­я­тельств. По­че­му же клет­ки, со­дер­жа­щие в своем ядре оди­на­ко­вую ге­не­ти­че­скую ин­фор­ма­цию, про­из­во­дят раз­лич­ные белки?

Такие ме­ха­низ­мы лучше изу­че­ны в клет­ках про­ка­ри­от. Несмот­ря на то что про­ка­ри­о­ты – од­но­кле­точ­ные ор­га­низ­мы, их тран­скрип­ция и транс­ля­ция также ре­гу­ли­ру­ют­ся, так как в один мо­мент вре­ме­ни клет­ка может нуж­дать­ся в ка­ком-ли­бо белке, а в дру­гой мо­мент тот же самый белок может стать для нее вре­ден.

Ге­не­ти­че­ской еди­ни­цей ме­ха­низ­ма ре­гу­ля­ции син­те­за бел­ков сле­ду­ет счи­тать опе­рон (Рис. 1), в со­став ко­то­ро­го вхо­дят один или несколь­ко струк­тур­ных генов, то есть генов, несу­щих ин­фор­ма­цию о струк­ту­ре иРНК, ко­то­рая, в свою оче­редь, несет ин­фор­ма­цию о струк­туре белка.

Рис. 1. Струк­ту­ра опе­ро­на

Перед этими ге­на­ми, в на­ча­ле опе­ро­на, рас­по­ло­жен про­мо­тор – «по­са­доч­ная пло­щад­ка» для фер­мен­та РНК-по­ли­ме­ра­зы. Между про­мо­то­ром и струк­тур­ны­ми ге­на­ми в опе­роне рас­по­ла­га­ет­ся уча­сток ДНК, на­зы­ва­е­мый опе­ра­то­ром. Если с опе­ра­то­ром свя­зан осо­бый белок – ре­прес­сор, то РНК-по­ли­ме­ра­за не может на­чать син­тез иРНК.

Пред­по­ло­жим, что в бак­те­ри­аль­ную клет­ку про­ник­ло пи­ще­вое ве­ще­ство X (Рис. 2), ко­то­рое долж­но быть раз­ру­ше­но на более мел­кие части фер­мен­том Ф, ко­то­рый за­ко­ди­ро­ван в струк­тур­ном гене опе­ро­на, но не син­те­зи­ру­ет­ся, так как опе­ра­тор этого опе­ро­на за­бло­ки­ро­ван ре­прес­со­ром. В этом слу­чае одна из мо­ле­кул ве­ще­ства X, про­ник­ше­го в клет­ку, свя­зы­ва­ет­ся с мо­ле­ку­лой ре­прес­со­ра. При этом ком­плекс X-ре­прес­сор те­ря­ет спо­соб­ность удер­жи­вать­ся на опе­ра­то­ре и РНК-по­ли­ме­ра­за тут же на­чи­на­ет син­тез иРНК, на ко­то­рой ри­бо­со­мы син­те­зи­ру­ют фер­мент Ф. Этот фер­мент на­чи­на­ет ра­бо­тать, раз­ру­шая мо­ле­ку­лы ве­ще­ства X, в том числе и те, ко­то­рые вхо­дят в со­став ком­плек­са Х-ре­прес­сор. Когда все мо­ле­ку­лы ве­ще­ства X будут раз­ру­ше­ны, ре­прес­сор снова смо­жет свя­зать­ся с опе­ра­то­ром, сле­до­ва­тель­но, син­тез новых мо­ле­кул фер­мен­та Ф будет пре­кра­щен, так как пре­кра­тит­ся син­тез его иРНК. А так как любая иРНК имеет огра­ни­чен­ный (и до­ста­точ­но ко­рот­кий) срок «жизни» в ци­то­плаз­ме, по окон­ча­нии ко­то­ро­го она будет раз­ру­ше­на спе­ци­аль­ны­ми фер­мен­та­ми, то вско­ре пре­кра­тит­ся син­тез фер­мен­та Ф и на уже син­те­зи­ро­ван­ных мо­ле­ку­лах иРНК.

Рис. 2. Струк­ту­ра опе­ро­на и про­цесс его ра­бо­ты

Ре­гу­ля­ция ра­бо­ты генов у эу­ка­ри­от, осо­бен­но если речь идет о мно­го­кле­точ­ном ор­га­низ­ме, го­раз­до слож­нее.

Во-пер­вых, белки, необ­хо­ди­мые для обес­пе­че­ния ка­кой-ли­бо функ­ции, могут быть за­ко­ди­ро­ва­ны в генах раз­лич­ных хро­мо­сом. У про­ка­ри­от ДНК в клет­ке пред­став­ле­на од­ной-един­ствен­ной  мо­ле­ку­лой.

Во-вто­рых, у эу­ка­ри­от сами гены устро­е­ны слож­нее, чем у про­ка­ри­от: у них име­ют­ся «мол­ча­щие» участ­ки, с ко­то­рых не счи­ты­ва­ет­ся иРНК. Но эти участ­ки спо­соб­ны ре­гу­ли­ро­вать ра­бо­ту со­сед­них участ­ков ДНК.

В-тре­тьих, в мно­го­кле­точ­ном ор­га­низ­ме необ­хо­ди­мо точно ре­гу­ли­ро­вать и ко­ор­ди­ни­ро­вать ра­бо­ту генов в клет­ках раз­ных тка­ней. Эта ко­ор­ди­на­ция осу­ществ­ля­ет­ся на уровне це­ло­го ор­га­низ­ма и глав­ным об­ра­зом при по­мо­щи гор­мо­нов. Они вы­ра­ба­ты­ва­ют­ся как в клет­ках желез внут­рен­ней сек­ре­ции, так и в клет­ках мно­гих дру­гих тка­ней, на­при­мер нерв­ной. Эти гор­мо­ны свя­зы­ва­ют­ся с осо­бы­ми ре­цеп­то­ра­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми или на кле­точ­ной мем­бране, или внут­ри клет­ки. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия ре­цеп­то­ра с гор­мо­ном в клет­ке ак­ти­ви­ру­ют­ся или, на­о­бо­рот, ре­прес­си­ру­ют­ся те или иные гены, и син­тез бел­ков в дан­ной клет­ке ме­ня­ет свой ха­рак­тер. На­при­мер, гор­мон над­по­чеч­ни­ков ад­ре­на­лин ак­ти­ви­ру­ет рас­пад гли­ко­ге­на до глю­ко­зы в клет­ках мышц, что при­во­дит к улуч­ше­нию обес­пе­чен­но­сти этих кле­ток энер­ги­ей. Дру­гой гор­мон, ин­су­лин, вы­де­ля­е­мый под­же­лу­доч­ной же­ле­зой, на­про­тив, спо­соб­ству­ет об­ра­зо­ва­нию гли­ко­ге­на из глю­ко­зы и за­па­са­нию его в клет­ках пе­че­ни.  

Ко­неч­но, пол­но­стью по­нять ме­ха­низ­мы ре­гу­ля­ции генов даже в от­но­си­тель­но про­сто ор­га­ни­зо­ван­ных живых су­ще­ствах мы пока не в силах. А если учесть, что ор­га­низм че­ло­ве­ка со­сто­ит из более чем 200 мил­ли­ар­дов кле­ток и в каж­дой из них, по по­след­ним под­сче­там ис­сле­до­ва­те­лей, со­дер­жит­ся до 120 тысяч генов, то ста­но­вят­ся оче­вид­ны­ми труд­но­сти, воз­ни­ка­ю­щие при изу­че­нии ко­ор­ди­на­ции ра­бо­ты генов ор­га­низ­ма че­ло­ве­ка. Сле­ду­ет также учесть, что 99,9 % ДНК у всех людей оди­на­ко­вы и толь­ко остав­ши­е­ся 0,1 % опре­де­ля­ют непо­вто­ри­мую ин­ди­ви­ду­аль­ность каж­до­го че­ло­ве­ка: внеш­ний вид, осо­бен­но­сти ха­рак­те­ра, об­ме­на ве­ществ, склон­ность к тем или иным за­бо­ле­ва­ни­ям, ин­ди­ви­ду­аль­ную ре­ак­цию на ле­кар­ства и мно­гое дру­гое.

 Заключение

Раз­но­об­ра­зие форм и функ­ций кле­ток раз­ных ор­га­нов за­ви­сит от слож­но­го вза­и­мо­дей­ствия раз­лич­ных генов между собой и с мно­го­чис­лен­ны­ми ве­ще­ства­ми, по­па­да­ю­щи­ми в клет­ку извне или об­ра­зу­ю­щи­ми­ся в ней. По­зна­ние ре­гу­ля­тор­ных ме­ха­низ­мов тран­скрип­ции и транс­ля­ции необ­хо­ди­мо для управ­ле­ния про­цес­са­ми ре­а­ли­за­ции ге­не­ти­че­ской ин­фор­ма­ции.