Пташне - Переключение генов - 1988, страница 2

Гены определяют структуру всех молекул, из которых состоят живые клетки. В каждый момент любая клетка, от бактериальной до человеческой, использует лишь часть своих ~енов для образования различных молекул. Мы говорим, что эти экспрессирующиеся гены включены, а те, что не экспрессируются, выключены.

Другими словами, мы полагаем, что экспрессия генов регулируется. Рассмотрим в качестве примера развитие особи из оплодотворенного яйца. Эта клетка, равно как и ее потомки, делится, и данный процесс повторяется миллионы раз; при этом каждая новая клетка получает идентичный набор генов. Тем не менее одни клетки (например, те, из которых состоят волосы) выглядят и функционируют совершенно иначе, чем Рнс ! Электронная микрофотография частиц фага З.

и бактерии Егой зараженной чтим фатом Диаметр голонки фага около 600 А уасличсннс на верхнем снимке !00000 на нижнем ВООО Фотографии любезно нрсдостав тены Роджером Хендриксом дру~ие (например, клетки кожи), поскольку в разных клетках включены разные гены. Самое главное, что гены передаются от родительских клеенок к потомству без изменений (за редким исключением), но при этом они могут по-разному экспрессироваться в разных клетках. .экспрессия гена регулируется не только в ходе разви.!ия, но гакже и в течение жизни дифференцированной клетки.

Например, клетки кожи меняют свой цвет под действием солнечного света. Структура гена, отвечающего за пигментацию, не изменяется в ответ на освещение; просто внеклеточный си~пал, свет, включает этот ген. Е)це один пример регуляции генов: раковые клетки делятся в таких условиях, когда деление соответствующих нормальных клеток не происходи~. Одна из причин состоит в том, что некоторые гены в этих клетках включены (или выключены), тогда как они не должны (или. наоборот, должны) работать. Биологи давно хотели узнать, как включаются и выключаются гены при нормальном развитии и как нарушается ик регуляция при тех или иных заболеваниях. Нас интересуют молекулярные механизмы регуляции генов и объединение этих механизмов в систему, обеспечивающую упорядоченное включение и выключение групп генов.

Мы хотим понять, какие стадии в этой системе регулируются внутриклеточными программами, а какие-внеклеточными сигналами. Возвращаясь к исходному примеру — фату )., мы можем теперь отдать должное прозорливости первопроходцев, которые распознали в рос~с этого вируса, и прежде всего в его способности идти по двум путям разин!ия, удобный для исследования пример регуляции экспрессии генов. Бактерии и их фаги быстро размножаются, благодаря этому регуляцию их генов можно изучать с помощью генетических и биохимических подходов гораздо более эффективно, чем регуляцию генов в клетках высших организмов. Теперь рассмотрим вкратце, что представляют собой гены и как они работают.

Начнем со структуры гена, участка молекулы ДНК, который сам по себе инертен, но несет информацию, закодированную в виде последовательности оснований в двух цепях. Четыре основания, входящие в состав молекулы ДНК,-аленин (А), тимин (Т)„гуанин (О) и цитозин (С)— присоединены к двум взаимно переплетающимся остовам, причем А одной цепи всегда спарен с Т другой, а О всегда спарен с С. На рис.

2 приведены три схематических изображения отрезка молекулы ДНК. На верхней схеме последовательность из 24 пар оснований записана в две строки„так что основания в верхней строке входят в состав одной цепи ДНК, а нижней -в состав другой. Мы говорим, что послсдовательности оснований в двух цепях комплементарны, так как последователь- 10 пап оснований = / оаооот спппаап А Т С Т В Т Т А О А А тто от А Т Т 6 и/ й ж й р // '// // о // /, // // / ,'/' l// '/// // // / // / /// ность одной из них определяется последовательностью другой согласно правилам спаривания оснований. На второн схеме участок длиной около 80 пар оснований изображен в виде двойной спирали. Обратите внимание, что один оборот спирали состоит примерно из 10 пар оснований, так что зти 80 пар образуют примерно 8 витков.

По поверхности спирали тянутся два желобка разной ширины, большой и малый. На схеме видно, что остовы цепей идут по поверхности спирали, а основания обращены внутрь. Наконец, на третьей схеме ДНК изображена в виде цилиндра„по поверхности которого вьются остовы двух цепей спирали. Именно в такой форме, когда структурные особенности спирали показаны в упрощенном виде, но с соблюдением пропорций, мы будем изображать молекулу ДНК в первой главе. Наличие стрелок у каждой из цепей на рисунке указывает на еще одно важное свойство двойной спирали ДНК: цепи имеют определенную направленность или полярность и идут в противоположных направлениях. Как показывает рис.

3, полярность цепей обусловлена тем, что химические связи, образующие остов каждой цепи, асимметричны. Стрелки направлены от 5'-концов цепей к 3'-концам (в подписи к рисунку объясняется такой выбор направления цепей). 12 Рис. 2. Различныс способы схематического изображения ДНК. На верхней схеме особое внимание обрашается на спаривание комплементарных оснований. На средней схеме представлена обшая форма двойной спирали с ее большим и малым желобками. Полярность цепей указана на этих лвух схемах стрелками.

Желобки видны также на нижней схеме, /де ДНК изображена в виде протяженного дилиндра со спиральными полосами на поверхности. На самом деле на один оборот спирали приходится не 10, а 10,5 пары оснований. Фосфат Сахар Рис. 3. Молекула ДНК, изображенная более крупным планом. Остов каждой цепи ДНК состоит из чередующихся остатков сахара и фосфата. Направление пеней определяется тем, как сахарный остаток связан с фосфатами: один нз них присоединяется с помощью басвязи, а другой — 3'-.

Каждый сахарный остаток связан также с основанием, которое спчрено с комплементарным основанием другой цепи. ОС-лары оснований стабилизируются тремя водороднзлми связями, а АТ-пары-двумя. При наращивании цепи гуанин. соединенный с сахарофосфатной группировкой, присоединяется к одной из цепей, при этом две фосфатные группы отщепляются. Принцип комплементарности последовательностей объясняет, каким образом происходят правильное удвоение генов и (как мы вскоре узнаем) их экспрессия. На рис. 4 показано, что при репликации ДНК ее цепи расплетаются и затем каждая из иих копируется согласно правилам спаривания оснований. При этом каждая родительская цепь используется в качестве матрицы для образования комплементарной цепи и при делении клетки две дочерние клетки получают копии родительских генов.

Обычно ген состоит примерно из 1000 пар оснований ПОО витков) и входит в состав гораздо более длинной молекулы ДНК, Первый этап экспрессии гена всегда одинаков: последовательность одной из цепей ДНК копируется, или транскрибируется, в виде линейной молекулы РНК. Как показано 13 Рис. 4. Реплнкация ДНК. У верхней части молекулы пепи еще не разошлись и образуют как бы ствол. Отходящие от него ветви разошедшиеся пепи — служат матрицами для образования комплементарных цепей. При копировании А спаривается с Т. а Π— с О.

с т А А т А С 1 С В Рис. 5. Комплсмеитарность мРНК и ДНК. Основание Б в РНК соответствует основанию Т в ДНК. Последовательность изображенной на рисунке мРНК комплемснтарна последоватслыюсги нижней цени ДНК. Эта мРНК, а также мРНК на двух следующих рисунках синтезируются в направлении слева направо. иа рис. 5, последовательность оснований РНК идентична последовательности одной из цепей ДНК и комплементарна последовательности другой (матричной) цепи. Мы будем считать, что ген включен, если он копируется с образованием РНК, и выключен, если иет.

Одни молекулы РНК являются конечными продуктами, которые сами по себе выполняют в клетке определенные функции. Другие РНК, называемые матричными или информационными (мРНК), направляют синтез других молекул оелков. Существуе~ множество различных белков; это, например. структурные компоненты клетки, антитела, ферменты и з.д. Последние фактически выполняют всю работу в клетке, в том числе осуществляют транскрипцию и репликацию ДНК. Белковая молекула представляет собой цепочку из звеньев, называемых аминокислотами; их последовательность определяется последовательностью оснований соответствующего гена. Считывание (трансляция) мРНК происходи~ последовательно, начиная с 5'-конца.

Каждая следующая группа из грех оснований определяет, какая из 20 аминокисло~ должна сыть присоединена к растущей белковой цепи. Первую аминокислоту белковой цепи называют Х-концом (или амино-концом), последнюю-С-концом или (карбокси-концом). Каждая белковая молекула складывается определенным образом, в зависимости от аминокислотной последовательности. При этом обычно образуется частица примерно сферической формы (глобула), на поверхности которой имеются характерные выступы и впадины. Во введении и в первой главе мы обсудим работу ряда белков, которые будут изображены Рис б. Промотор и РНК-полимераза. При связывании с промотором в начале ~ сна РПК-полимераза покрывает б витков спираяи, т.е.

около бв пар оснований. Упрощенное изображение Ре1К-полимеразы на рисунке не отражает ~ ого факта, что этот крупный фермент состоит из нескольких цепей с разными аминокислотными последовательностями Стрелка указывает направление зранскрипции. которая начинается с пары оснований, расположенной точно над левым концом стрелки. !5 в виде шариков и других округлых тел. Во второй главе мы рассмотрим роль характерных особенностей поверхности некоторых белков в их работе и регуляции активности генов. Гены транскрибируются с образованием мРНК под действием фермента, который называется РНК-полимеразой.