Експресія генів - це що таке? Визначення поняття

Відео: Гармонія і хаос - інформація (2 серія з 2). Документальний науковий фільм.

Що таке експресія генів? Яка її роль? Як працює механізм експресії генів? Які перспективи він перед нами відкриває? Як відбувається регуляція експресії генів у еукаріот і прокаріот? Ось короткий перелік питань, які будуть розглянуті в рамках даної статті.

Відео: Регуляція транскрипції

Загальна інформація

Експресія генів - це назва процесу перенесення генетичної інформації від ДНК за допомогою РНК до білків і поліпептидів. Давайте для розуміння зробимо невеликий відступ. Що таке гени? Це лінійні полімери ДНК, що є з`єднаними в довгий ланцюг. За допомогою білка хроматину вони утворюють хромосоми. Якщо говорити про людину, то у нас їх сорок шість. У них знаходиться приблизно 50 000-10 000 генів і 3,1 мільярда пар нуклеотидів. Як же тут орієнтуються? Довжина ділянок, з якими ведеться робота, вказується в тисячах і мільйонах нуклеотидів. Одна хромосома містить близько 2000-5000 генів. У дещо іншому вираженні - близько 130 мільйонів пар нуклеотидів. Але це тільки дуже приблизна оцінка, яка більш-менш правильна для значних послідовностей. Якщо працювати на коротких ділянках, то співвідношення буде порушуватися. Також на це може вплинути підлогу організму, над матеріалом якого ведеться робота.

Про генах

Вони мають найрізноманітнішу довжину. Ось, наприклад, глобин - це 1500 нуклеотидів. А дистрофин - вже цілих 2 мільйони! Їх регуляторні цис-елементи можуть бути віддалені від гена на значну відстань. Так, у глобина вони знаходяться на відстані в 50 і 30 тисяч нуклеотидів в 5`- і 3`-напрямку відповідно. Наявність подібної організації значним чином ускладнює нам визначення меж між ними. Також гени містять в собі значну кількість високоповторяющіхся послідовностей, функціональні обов`язки яких нам ще не зрозумілі.

Для розуміння їх структури можна уявити, що 46 хромосом є окремими томами, в яких знаходиться інформація. Вони згруповані в 23 пари. Один з двох елементів успадковується від батька. "текст", Що знаходиться в "томах", багаторазово "перечитувався" тисячами поколінь, що привносив в нього багато помилок і змін (званих мутаціями). І всі вони успадковуються потомством. Тепер є досить теоретичної інформації, щоб почати розбиратися з тим, що собою являє експресія генів. Адже це є головною темою даної статті.

теорія оперона

Вона будується на генетичних дослідженнях індукції &beta - галактозидази, яка брала участь в гидролитическом розщепленні лактози. Сформульована вона була Жаком Моно і Франсуа Жакобом. Дана теорія пояснює механізм контролю над синтезом білків у прокаріот. Також важлива роль відводиться і транскрипції. Теорія говорить, що гени білків, які функціонально тісно пов`язані в метаболічних процесах, часто групуються разом. Вони створюють структурні одиниці, названі оперон. Їх важливість в тому, що всі гени, які входять в нього, експресуються узгоджено. Іншими словами, вони все можуть бути транскрибувати, або ж нікого з них не можна «прочитати». У таких випадках оперон вважається активним чи пасивним. Рівень експресії генів може змінюватися, тільки якщо є набір окремих елементів.

Індукція синтезу білків

Давайте уявимо, що у нас є клітина, яка в якості джерела свого зростання використовує вуглець глюкозу. Якщо її поміняти на дисахарид лактозу, то через кілька хвилин можна буде зафіксувати, що вона адаптувалася до умов, які були змінені. Цьому існує таке пояснення: клітина може працювати обома джерелами зростання, але один з них є більш підходящим. Тому існує «приціл» на більш легкообрабативаемое хімічна сполука. Але якщо воно пропадає і на зміну йому з`являється лактоза, то відповідальна РНК-полімераза активується і починає робити свій вплив на виробництво необхідного білка. Це більше теорія, а зараз давайте поговоримо про те, як же власне відбувається експресія генів. Це дуже захоплююче.

організація хроматину

Матеріал з даного абзацу є модель диференційованої клітини багатоклітинного організму. У ядрах хроматин укладений таким чином, що для транскрипції доступна лише мала частина генома (близько 1%). Але, незважаючи на це, завдяки різноманітності клітин і складності йдуть в них процесів ми можемо впливати на них. На даний момент для людини доступним є такий вплив на організацію хроматину:

1. Змінювати кількість структурних генів.
2. Ефективно транскрибувати різні ділянки коду.
3. Перебудовувати гени в хромосомах.
4. Вносити модифікації і синтезувати поліпептидні ланцюги.

Але ефективна експресія гена-мішені досягається в результаті чіткого дотримання технології. Неважливо, з чим ведеться робота, нехай навіть експеримент йде над невеликим вірусом. Головне - це дотримуватися складеного плану втручання.

Змінюємо кількість генів

Як це можна реалізувати? Уявімо, що нас цікавить вплив на експресію генів. Як досвідченого зразка ми взяли матеріал еукаріот. Він має високу пластичність, тому можемо внести такі зміни:

1. Збільшити число генів. Використовується в тих випадках, коли необхідно, щоб організм збільшив синтез певного продукту. У подібному ампліфікувати стані знаходяться багато корисні елементи людського генома (наприклад, рРНК, тРНК, гістони і так далі). Такі ділянки можуть мати тандемне розташування в рамках хромосоми і навіть виходити за їх межі в кількості від 100 тисяч до 1 мільйона пар нуклеотидів. Давайте розглянемо практичне застосування. Інтерес для нас представляє ген металлотіонеінов. Його білковий продукт може зв`язувати важкі метали на кшталт цинку, кадмію, ртуті та міді і, відповідно, захищати організм від отруєння ними. Його активація може бути корисною людям, які працюють в небезпечних умовах. Якщо у людини спостерігається підвищена концентрація раніше згаданих важких металів, то активація гена відбувається поступово автоматично.
2. Зменшити число генів. Це досить рідко застосовуваний спосіб регуляції. Але і тут можна навести приклади. Один з найбільш відомих - це еритроцити. Коли вони дозрівають, то руйнується ядро і носій втрачає свій геном. Подібне в процесі дозрівання проходять і лімфоцити, а також плазматичні клітини різних клонів, що синтезують секретуються форми імуноглобулінів.

перебудова генів

Важливою є можливість переміщення і об`єднання матеріалу, при якому він буде здатний до транскрипції і реплікації. Даний процес отримав назву генетичної рекомбінації. За допомогою яких механізмів вона є можливою? Давайте розглянемо відповідь на це питання на прикладі антитіл. Вони створюються В-лімфоцитами, що належать якомусь певному клону. І в разі потрапляння в тіло антигену, на який є антитіло з комплементарним активним центром, відбудеться їх приєднання з наступною проліферацією клітини. Чому ж у організму людини є можливість створювати таку різноманітність білків? Така можливість забезпечується рекомбинацией і соматичними мутаціями. Але це може бути і наслідок штучних змін в структурі ДНК.

зміна РНК

Експресія генів - це процес, в якому значну роль відіграє рибонуклеїнова кислота. Якщо розглядати мРНК, то необхідно зауважити, що після транскрипції первинна структура може змінюватися. Послідовність нуклеотидів в генах однакова. А ось в різних тканинах мРНК можуть з`являтися заміни, вставки або просто будуть відбуватися випадання пар. Як приклад з боку природи можна привести апопротеїн В, створюваний в клітинах тонкого кишечника і печінки. У чому ж різниця редагування? Версія, створювана кишечником, має 2152 амінокислоти. Тоді як варіант печінки може похвалитися вмістом 4563 залишків! І незважаючи на таке розходження, у нас є саме апопротеїн В.

Зміна стабільності мРНК

Ми вже майже прийшли до того, щоб можна було зайнятися білками і поліпептидами. Але давайте перед цим ще розглянемо, як може закріплюватися стабільність мРНК. Для цього спочатку вона повинна покинути ядро і вийти з цитоплазми. Здійснюється це завдяки наявним порам. Велика кількість мРНК буде розщеплено нуклеазами. Ті ж, що уникнуть цієї долі, організовують комплекси з білками. Час життя еукаріотичної мРНК коливається в широкому діапазоні (до декількох днів). Якщо стабілізувати мРНК, то при фіксованій швидкості можна буде спостерігати, що збільшується кількість новоствореного білкового продукту. Рівень експресії генів при цьому не зміниться, але, що більш важливо, організм буде діяти з більшою ефективністю. За допомогою методів молекулярної біології можна кодувати кінцевий продукт, який буде мати значну тривалість життя. Так, наприклад, можливим є створення &beta - глобіну, який функціонує понад десять годин (для нього це дуже багато).

швидкість процесів

Ось і розглянута в загальному і цілому система експресії генів. Зараз залишилося тільки доповнити наявні знання інформацією про те, як швидко відбуваються процеси, а також наскільки довго живуть білки. Скажімо так, проведемо контроль експресії генів. Слід зазначити, що вплив на швидкість не вважається основним способом регулювання різноманітності і кількості білкового продукту. Хоча її зміна для досягнення даної мети все ж використовувалося. Як приклад можна привести синтез білкового продукту в ретикулоцитах. Кровотворні клітини на рівні диференціювання позбавлені ядра (а значить, і ДНК). Рівні регуляції експресії генів взагалі будуються в залежності від можливостей якогось з`єднання активно впливати на здійснювані процеси.

Відео: основні поняття генетики

тривалість існування

Коли ж білок синтезований, то час, протягом якого він буде жити, залежить від протеаз. Тут не можна точно назвати терміни, оскільки діапазон в даному випадку становить від декількох годин до декількох років. Швидкість розщеплення білка широко варіюється в залежності від того, в якій клітині він знаходиться. Ферменти, які можуть каталізувати процеси, як правило, швидко «вживаються». Через це вони також створюються організмом у великих кількостях. Також на термін життя білка може вплинути фізіологічний стан організму. Також якщо був створений дефектний продукт, то він буде швидко ліквідовано захисною системою. Таким чином, можна впевнено сказати, що єдине, про що ми можемо судити, - це стандартний час життя, отримане в лабораторних умовах.

висновок

Даний напрямок є дуже перспективним. Наприклад, експресія чужорідних генів може допомогти вилікувати спадкові хвороби, а також ліквідувати негативні мутації. Незважаючи на наявність великих знань по цій темі, можна впевнено сказати, що людство ще тільки знаходиться в самому початку шляху. Генетична інженерія зовсім недавно навчилася виділяти необхідні ділянки нуклеотидів. 20 років тому відбулася одна з найбільших подій даної науки - була створена овечка Доллі. Зараз же ведуться дослідження з людськими ембріонами. Можна з упевненістю сказати, що ми вже на порозі майбутнього, де немає хвороб і фізіологічних страждань. Але перш ніж ми туди прийдемо, необхідно буде дуже добре попрацювати на благо процвітання.