Эукариоттардағы гендер экспрессиясын реттелуі

Жоспар

 

1. Кіріспе
2. Негізгі бөлім

1. Геннің  құрылысы мен қызметі
2. Прокариот  және эукариот гендері
3. Гендерінің экспрессиялануының (активтенуінің) реттелу механизмдері
4. Прокариоттардағы гендер экспрессиясын реттелуі
5. Эукариоттардағы гендер экспрессиясын реттелуі

3. Қорытынды
4. Пайдаланған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

Ген дегеніміз – бір полипептидтік тізбектің синтезіне жауапты генетикалық ақпараттын бірлігі болып табылатын ДНҚ молекуласының кесіндісі деп аталады.

Тірі организмдер өзінің құрамына кіретін клеткалардың типіне байланысты эукариоттар және прокариоттар болып бөлінеді. Эукариоттық клеткаларда геномның ДНҚ-сы ядролық қабықшамен қоршалған, яғни эукариоттық клеткалардың ядросы бар, ал прокариоттарда айкын көрінетін ядро жоқ (грекше аударғанда эу – «мен» жұрнағына сәйкес (ядромен), про – «сыз» жұрнағын (ядросыз), ал кариос – ядро.

Геном – жасушаның, ағзаның тіршілігі және дамуы үшін қажет барлық генетикалық ақпарат жазылған ДНҚ молекулаларының толық жиынтығы болып табылады, яғни жасушаның ядролық және цитоплазмалық ДНҚ-сының барлық гендері мен ген аралық учаскелерінің жиынтығы.

Прокариоттық  клетка – тірі клетканың қарапайым түрі. Прокариоттық клетканы анықтайтын бір ерекшелік олардың хромосомасымен цитоплазмасының арасында тікелей қатынастың (контакт) болуы. Эукариоттық клеткада, керісінше, хромосомалар мембраналық құрылым – ядрода болады.

Эукариоттық клетка – прокариоттық клеткадан шығу ықтималдығын ескерсек, олармен салыстырғанда әлдеқайда күрделі ұйымдасқан. Эукариоттық клеткалардың прокариоттармен салыстырғандағы айырмашылығы – оларда ядро болады.

Прокариоттардағы  гендер экспрессиясын реттелу - белоктың құрылымы және информация құрылымдық гендерде жазылған. Бір хромасоманың бойында қатар орналасқан гендер тіркес гендер деп аталады. Бұл гендердің активтілігі басқа бір реттеуші геннің бақылауында болды.

Эукариоттардағы гендер экспрессиясын реттелуі - Эукариоттар организмде гендердің реттелу механизмі прокариоттармен салыстырғанда күрделі процесс. Өйткені, эукариоттарда ядро қабығының болуы хромосома санының көп болуы, гендердің өзара әрекеттесуі, оператор гені санының артуы, сондай-ақ құрылымдық гендердің транскрипциясында индуктор ретінде гормондардың және жүйке жүйесінің қатысуы геннің жұмысының реттелуін күрделендіреді.

Геннің құрылысы және қызметі

Мендельдің тұқым қуалайтын бастамасына сәйкес ген түсінігін генетика ғылымына 1909 жылы Иогансен енгізген. Морганның 1926 жылы теориясы бойынша ген дегеніміз – хромосоманың бөлігі 1белгінің жарыққа шығуына жауап еретін ары қарай бөлшектенбейтін тұқым қуалайтын материал қызметінің мутацияның және рекомбинацияның бірлігі. Хромосомада гендер бір сызықтың бойына орналасып өз қызметін бір-біріне тәуелсіз жеке-жеке атқарады. Қазіргі теория бойынша ген дегеніміз – бір полипептидтік тізбектің синтезіне жауапты генетикалық ақпараттын бірлігі болып табылатын ДНҚ молекуласының кесіндісі деп аталады.

Ген нуклеотидтерден  тұрады. Нуклеотидтердің саны, орналасу реті әр геннің өзіне тән мөлшері  нуклеотидте саны, молекулалық массасы  бар. Геннің мөлшері ол анықтамайтын белоктың көлеміне байланысты.

Геннің қызметі:

1. Тұқым қуалау информациясы сақтайды
2. Генің 2 еселенуі – ДНҚ репликациясы
3. Белоктың бисинтезін басқарады
4. ДНҚ репарациясы – ДНҚ-дағы бұзылыстардың қайтадан қалпына келуі

1978 жылы Гильдергтың  ұсынысы бойынша ДНҚ молекулалардың  ақпаратты бар бөлігі экзондар, ал ақпарат жазылмаған мағынасыз бөліктер интрондар. Эукариоттық клеткаларда экзондар мен интрондардың, саны мен мөлшері әр генде  әртүрлі болды.

Мысалы: егеу құйрықтың  инсулин гендерінде бір ғана интрон бар. Тауықтың коллогені 50-ден астам интроннан тұрады. Интрондар шамамен 100-3500 жұп нуклеотидтерден тұрады. Ал экзондардың ұзындығы 20-1500 жұп нуклеотидтер көлемінде. Интрондардың атқаратын қызметі толық анықталмаған. Оны тұқым қуалау материалының қоры деп болжайды. Прокариоттардың генде интрондар бомайды. Геннің қайта құрылуы және әсері ДНҚ, РНҚ және белок синтезделу процестерімен тығыз байланысты. Гендердің активтілігін реттеу принциптерін Жокоб және Моно 1961 жылы ішек бактериясын зерттеп нәтижесін ашқан. Бұл бактерияның клеткасында 800-ге жуық фермент синтезделеді. Кейбір ферменттер үздіксіз синтезделіп оны конститутивті ферменттер деп атады, ал басқа ферменттер тек қажет кезде синтезделеді. Олардың пайда болуы индуктормен реттеледі. Мұндай ферменттер индуцибельді деп атайды.

Прокариот  және эукариот гендері

Тірі организмдер өзінің құрамына кіретін клеткалардың типіне байланысты эукариоттар және прокариоттар болып бөлінеді. Эукариоттық клеткаларда геномның ДНҚ-сы ядролық қабықшамен қоршалған, яғни эукариоттық клеткалардың ядросы бар, ал прокариоттарда айкын көрінетін ядро жоқ (грекше аударғанда эу – «мен» жұрнағына сәйкес (ядромен), про – «сыз» жұрнағын (ядросыз), ал кариос – ядро.

Прокариоттық  клетка – тірі клетканың қарапайым түрі. Прокариоттық клетканы анықтайтын бір ерекшелік олардың хромосомасымен цитоплазмасының арасында тікелей қатынастың (контакт) болуы. Эукариоттық клеткада, керісінше, хромосомалар мембраналық құрылым – ядрода болады. Эукариоттық клеткалардан прокариотты клеткалардың тағы бір айырмашылығы – оларда митохондриялар мен хлоропластар (компарменттер) болмайды, рибосомалардың көлемі өте кішкентай (олардың седиментция коэффициенті 70S) және клетка қабырғасы болғандықтан ірі молекулаларды сіңіріп, шығара алмайды.

Эукариоттық клетка – прокариоттық клеткадан шығу ықтималдығын ескерсек, олармен салыстырғанда әлдеқайда күрделі ұйымдасқан. Эукариоттық клеткалардың прокариоттармен салыстырғандағы айырмашылығы – оларда ядро болады. Клеткадағы ДНҚ-ның көп мөлшері қос қабат мембранамен қоршалған ядроның ішінде. Сөйтіп, құрамында ДНҚ бар компартмент көптеген заталмасу реакциялары өтетін клетканың басқа бөлігі – цитоплазмадан бөлінген.

 

Гендерінің экспрессиялануының (активтенуінің)

реттелу механизмдері

 

Зерттеулердің нәтижесінде  Жакоб және Моно индукция және репрессия  құбылыстарын яғни гендер жұмысының іске қосылуымен тоқтатылу механизмін ұсынды. Яғни прокариот және эукариот гендерінің экспрессиясын реттелу механизмі. Гендер өнімінің синтезін бақылау механизмдері жалпы атпен гендік реттелу деп аталады.

Геннің (немесе ДНҚ учаскелерінің) өнімдері – транскрипция нәтижесінде синтезделетін РНҚ түрлері: ақпараттық РНҚ (а-РНҚ), рибосомалық РНҚ (р-РНҚ), тасымалдаушы РНҚ (т-РНҚ), кіші ядролық РНҚ (кя-РНҚ)-лар және тағы басқалары жатады. Ақпараттық РНҚ-да белок молекулаларының биосинтезі жайлы ақпарат жазылған болады. Белоктар (полипептидтер) құрылымдық белоктар, ферменттер мен реттеуші белоктар болып бөлінеді. Құрылымдық белоктар жасушалар мен мүшелердің құрылыстық негізін құрайды. Ферменттер ағзадағы зат алмасуды қамтамасыз етеді. Реттеуші белоктар құрылымдық гендердің активтілігін күшейтіп, мөмендетіп немесе мұлде басып тастап әсер етеді.

Прокариоттар мен эукариоттар  гендері активтілігінің реттелуі 3 деңгейде жүреді:

1. Транскрипция
2. Трансляция
3. Посттрансляциялық деңгей

Прокариоттар мен эукариоттар гендері активтілігін реттеуші жүйелерінде бір-бірінен аздаған ғана айырмашылықтары болады, прокариоттар негізінде табиғатта емін-еркін тіршілік ететін бір жасушалы ағзалар. Олар коректік заттары бар қолайлы ортада үздіксіз бөлініп көбее алады. Қолайлы ортада олардың бөлініп көбеюі мен өсу жылдамдығын гендер активтілігінің реттеуші жүелері қамтамасыз етеді. Осыған ұқсас реттеуші жүйелер емін-еркін тіршілік ететін бір жасушалы эукариоттарға да тән.

Тұқым қуалаушылықтың материалы  – ДНҚ молекуласы, негізінен ядрода шоғырланған, ал белок биосинтезі цитоплазмада – рибосомада жүреді. Сонда, ДНҚ молекуласының бойына «жазылған» ақпарат қалайша цитоплазмаға жеткізіледі? ДНҚ молекуласындағы генетикалық ақпараттың цитоплазмада белок-фермент синтезі күйінде жүзеге асуы тіршіліктің түпкілікті қасиеттерінің бірі болып саналады.

Цитоплазмада белгілі  бір белоктың синтезделу активтігі  гендердің активтігіне (экспрессиялануына) байланысты екені айдан анық. Жасушада белок биосинтезі екі  саты арқылы жүзеге асады – транскрипция және трансляция. Транскрипция дегеніміз – геннің экспрессиялануы (активтенуі) нәтижесінде а-РНҚ молекуласының синтезделуі, яғни ДНҚ молекуласындағы ақпараттың а-РНҚ молекуласына көшіріліп жазылуы (транскрипция – көшіріліп жазылу деген ұғымды береді), ал трансляция а-РНҚ молекуласының негізінде цитоплазмада – рибосомада, полипептид молекуласының синтезделуі болып табылады.

Транскрипция өте күрделі  процесс. ДНҚ бойына орналасқан гендердің  бәрі бірдей, бір мезгілде транскрипцияланбайды. Ол біріншіден жасуша тіршілігінің белсенділіген және даму кезеңіне, екіншіден, гендердің экспрессиялануының реттелу  механизмдеріне байланысты болады. Сондықтан да, бір мезгілде әр түрлі жасушаларда түрліше гендер транскрипцияланады және ағзаның дамуцының әр түрлі кезеңдерінде бір жасушаның түрліше гендері экспрессияланады.

Әдетте біз, бір ген  – бір белок (фермент) деген ұғым бойынша әрбір ген өз алдына жеке транскрипцияланады деп ойлаймыз. Ал, шын мәнінде, бір белгіні дамытатын  бірнеше гендер ДНҚ бойына қатар  орналасып, бірге транскрипцияланады. Ондай гендерді кластерлі гендер деп аталады. Кластерлі гендердің бәрі бірдей транскрипцияланып ортақ полицистронды а-РНҚ түзіледі. Осының негізінде бір белгінің дамуына қажет барлық ферменттер бір мезгілде синтезделінеді. Кластерлі гендердің экспрессиялануын ерекше реттеуші гендер реттеп отырады.

Гендердің экспрессиялануының реттелу механизмдерін зерттеу  үшін прокариоттар өте қолайлы объект болып саналады, себебі олардың геномдары  не бары бірнеше гендер ден құрылған және олар өте тез көбейе алады. Сонымен қатар, гендердің экспрессиялануының реттелу механизмдері прокариоттарда да, эукариоттарда да ұқсас жүретіндігі анықталды. Гендердің экспрессиялануының реттелу механизмін зерттеуде ішек бактериясы – Escherichia coli өте қолайлы объект болады. Escherichia coli тіршілігі үшін қалыпты энергия көзі болып глюкоза саналады. Егер де тіршілік ортасында глюкоза болмаса ол лактозаны пайдалануға көшеді. Осы кезде жасушада лактозаны ыдырататын β-галактозидаза ферменті синтезделуі қажет. β-галактозидаза ферменті дисахарид – лактозаны галактозаға және глюкозаға ыдыратады.

Лактозалық оперондағы (Lac – оперон) құрылымдық гендер ұш цистроннан тұрады: Z, Y, A. Бұл гендердің әнімі – (ферменттер) лактоза қантын ыдыратуға қатысады.

Z – гені 3063 жұп нуклеотидтен (ж.н) тұрады. Ол лактозаны глюкоза мен галактозаға дейін ыдырайтын β-галактозидаза ферментінің синтезін бақылайды.

Y – гені 500 ж.н. тұрады, ның өнімі – фермент галактозид – пермеаза. Бұл ферменттің қызметі жасушаның мембранасымен байланысып лактозаның жасушаға сіңірңлуін қамтамасыз етеді.

А – гені 800 ж.н. құралған, өнімі – тигалактозид – ацетилаза  ферменті. Бұл фермент ацетил –Ко  А-дан ацетил тобын β-галактозидаза жеткізіп лактозаның толық ыдырауына қатынасады.

Lac – оперон қызметін генетикалық бақылайтын механизмнің болатынын мутация жүргізу арқылы зерттеген. Мутация нәтижесінде тіршілік ортасында лактозаның бар-жоқтығына байланыссыз ферменттердің үшеуі де синтезделгені байқалды.

Escherichia coli  жасушасында β-галактозидаза ферментінің синтезделуі қоректік ортада лактоза болған жағдайда индукцияланады, ал оның мөлшері азайса не мүлдем болмаса бұл ферменттің синтезделу қарқыны да азаяды не тоқталады.    β-галактозидаза ферменті синтезделу үшін Escherichia coli ДНҚ-сындағы Lac-Z деген ген транскрипция ланып, оның а-РНҚ-сы түзілуі қажет. β-галактозидаза ферментінің синтезделу қарқыны индукцияланғаннан кейін 1000 есеге дейін көбейеді және ол қоректік ортада индукторлактоза болса бур деңгейде ұзақ уақыт сақталынады. β-галактозидаза ферментінің лактозадан басқа индукторы ретінде оның ыдырауында пайда болатын аралық зат – аллолактоза да саналады. Ортада индуктордың (лактоза не аллолактоза) азаюы не жойылуы β-галактозидаза а-РНҚ-сының нуклеотидтерге ыдырап жойылуына алып келеді. А-РНҚ-ның тіршілік ұзақтығы бірнеше минутқа ғана тең, сондықтан да оның бір деңгейде синтезделіп тұруы үшін және жасушада үнемі β-галактозидаза ферменті синтезделуі үшін ол үнемі индукцияланып тұруы қажет, яғни ортада лактоза не аллалактоза болуы қажет. Сонда ғана а-РНҚ-ның ыдырауы мен синтезделуі теңеседі, жасушада β-галактозидаза ферменті бір қалыпты синтезделеді.

Бактерия гендерінің экспрессиялануының реттелуін зерттеуде  Ф.Жакоб және Ж.Моно еңбектерінің маңызы өте зор. Олар өздерінің тәжірибелерінің  нәтижесінде 1961 жылы гендердің экспрессиялануының реттелуінің оперондық теориясын ұсынды.

Escherichia coli жасушасында лактозаны толық ыдырату үшін бір-бірімен тығыз байланысқан екі геннің өнімі қажет. Олар – β-галактозидаза ферментін анықтайтын – Lac-Z+ гені және пермеаза ферментін анықтайтын – Lac-Y+ гені. β-галактозидаза ферментінің қызметі белгілі, ал пермеаза ферменті Escherichia coli жасушасына лактозаны белсенді тасымалдау қызметін атқарады. Осы екі генмен қатар орналасқан үшінші ген де болады ол Lac-A+  гені. Lac-A+  гені тиогалактозидтрансацетилаза ферментін анықтайды. Ол жоғарыда келтірілген 2 генмен Lac-Z+, Lac-Y+, тығыз байланысып кластерлік гендер кешенін құрайды, бірге реттелінеді, бірге транскрипцияланады, бірақ лактозаның ыдырауына қатынаспайды. Бұл үш ген мынадай тәртіппен орналасады Z – Y – A . Осы үш геннің бірге индукциялануының нәтижесінде бір полицистронды а-РНҚ синтезделеді.