Гени структурні та регуляторні. Регуляція активності генів в еукаріотичній клітині.

Регуляція активності генів — складна сукупність молекулярних механізмів, завдяки яким клітини можуть збільшувати або зменшувати кількість функціональних продуктів експресії певних генів у відповідь на зміну зовнішніх умов.

Життя будь-якої клітини визначається сукупністю її генів. Завдяки генам здійснюється будь-який прояв та будь-які зміни життєдіяльності на впливи чинників середовища. Клітина живе в змінних умовах середовища і має реагувати на ці впливи змінами своїх біохімічних процесів. Саме регуляція активності генів і забезпечує цю мінливість клітин без змін генотипу. А це, в свою чергу, зумовлює гнучкість властивостей живих систем і можливість пристосування до зміни умов середовища. Існує навіть наука про такі механізми — епігенетика.

Епігенетика — наука, що вивчає зміни експресії генів, що зумовлені механізмами не пов'язаними зі змінами послідовності нуклеотидів ДНК.

Такі зміни можуть залишатися видимими впродовж декількох клітинних поколінь або навіть кількох поколінь живих організмів. Якщо генетика вивчає процеси, що ведуть до змін у генах організмів, то епігенетика досліджує зміни активності генів, за яких структура ДНК залишається незмінною. Епігенетика вивчає процеси, що активують або пригнічують активність генів у відповідь на приймання їжі, фізичне навантаження, стрес тощо.

Вперше механізми зміни активності генів пояснили французькі науковці Ф. Жакоб і Ж. Моно у 1961 році. Вони запропонували концепцію оперона, згідно з якою на активність структурних генів у прокаріотичних клітинах впливає регуляторний ген, що відповідає за синтез регуляторних білків. Ці білки блокують транскрипцію, але з появою в клітині певного субстрату (наприклад, молочного цукру — лактози) вони інактивуються, що уможливлює транскрипцію й утворення функціонального продукту. Цим продуктом є ферменти, що розщеплюють лактозу й сприяють її засвоєнню.

Схема регуляції активності генів згідно з концепцією оперона

Найкращим прикладом епігенетичних змін для еукаріотичних клітин є процес диференціації клітин. Одна запліднена яйцеклітина — зигота ділиться і диференціюються в різні види клітин, які наявні в живому організмі. Це здійснюється шляхом активації одних генів та пригнічення інших, а гіпотеза, що пояснює ці зміни, називається гіпотезою диференціальної активності генів.

Завдяки регуляції активності генів відбуваються відповідна пристосованість клітин та одноклітинних організмів до змінних умов середовища та диференціація клітин під час розвитку багатоклітинних організмів.

Клітини будь-якого еукаріотичного організму містять однакову генетичну інформацію, але під час їхнього розвитку вона реалізується вибірково. Одночасно усі гени, що є в геномі клітин, ніколи не «працюють», тобто активними усі гени водночас ніколи не бувають.

Зверни увагу!

Регуляція активності генів згідно з концепцією оперона характерна лише для генів, розташованих у мітохондріях і пластидах.

Система регуляції ядерних генів є набагато складнішою та різноманітнішою. На різних рівнях реалізації спадкової інформації можливі наступні види регуляції активності генів:

• на рівні хроматину;

• під час транскрипції; під час дозрівання та транспорту РНК;

• під час трансляції;

• після завершення трансляції (пост-трансляційна модифікація);

• за участі малих РНК.

Регуляція на рівні хроматину — може здійснюватися двома способами — структурним і хімічним. Структурна регуляція здійснюється за рахунок пакування певних ділянок ДНК за допомогою білків таким чином, щоб із них не можна було зчитати спадкову інформацію. Так, на хромосомах розрізняють гетерохроматинові (щільно упаковані) та еухроматинові (не щільно упаковані) ділянки. На еухроматинових ділянках транскипція можлива, а на гетерохроматинових — ні. На еухроматинових ділянках згрупована більша кількість кодуючих генів.

Регуляція роботи генів на рівні хроматину

Хімічна регуляція відбувається за рахунок модифікації деяких нуклеотидів у ланцюжках ДНК. Якщо до них приєднується метильний радикал ( −CH3), то зчитування інформації з такої ділянки ДНК стає неможливим. Ще одним способом хімічної регуляції є ацетилювання білків - гістонів, навколо яких намотуються нитки ДНК в хромосомах. Наявність у них додаткової ацетильної групи також робить неможливим зчитування інформації з ділянки.

Регуляція на рівні транскрипції відбувається внаслідок взаємодії продуктів регуляторних генів (зазвичай білків) з певними структурами генів: промотором або регуляторними ділянками. Це дозволяє змінювати швидкість роботи генів або «вмикати» чи «вимикати» їх.

Регуляція під час дозрівання РНК та трансляції — після транскрипції відбувається процесинг (дозрівання РНК). Він відбувається в ядрі клітини, коли видаляються інтрони, а екзони комбінуються і з'єднуються один з одним. Під час процесингу відбуваються процеси вирізання інтронів, «зшивання» екзонів (сплайсинг) та додавання певних структур до початку і кінця молекули РНК.

Для більшості генів є можливим альтернативний сплайсинг — отримання кількох можливих варіантів РНК із синтезованої в ході транскрипції молекули. Регуляція під час трансляції відбувається переважно на етапі ініціації. В цей момент різні фактори можуть приєднуватися до мРНК і блокувати синтез білкової молекули, або, навпаки, розпочинати його.

Пост-трансляційна регуляція — це зміна білкової молекули після її утворення в процесі трансляції. Її здійснюють спеціальні білки. Наприклад, білки-шаперони формують просторову будову білка, модифікуючи його вторинну і третинну структури. Інші білки можуть додавати до молекули складних білків небілкову частину (наприклад, гем у молекулі гемоглобіну).

Регуляція за участі малих РНК (РНК-інтерференція) — механізм регуляції, що здійснюється за допомогою малих (20 — 25 нуклеотидів) молекул РНК. Основними молекулами є маленькі ядерні РНК (мяРНК) та мікроРНК (мкРНК), які вже після транскрипції можуть вступати у взаємодію із комплементарними послідовностям іРНК та змінювати їхню активність.

Фолієва кислота

Нині науковцям уже відомо, що компоненти харчових продуктів чинять вплив на епігенетичні процеси. Майже всі жінки знають, що під час вагітності дуже важливо вживати достатню кількість фолієвої кислоти. Епігенетика допомагає зрозуміти важливість цього вітаміну в раціоні. Справа в тому, що фолієва кислота впливає на метилювання ДНК. Що таке фолієва кислота і в чому полягає її зв'язок з метилюванням?

Персоніфікована медицина.

На сьогодні домінантним (переважаючим) у діагностиці й лікуванні будь-яких захворювань є підхід, який ґрунтується на тому, що після встановлення діагнозу всі подальші зусилля лікаря спрямовано на лікування хвороби без урахування індивідуальних особливостей пацієнта. Але майбутнє за персоніфікованою медициною. Що таке персоніфікована медицина і яке значення у її розвитку може мати генетика?

Виконайте інтерактивну вправу