Эукариоттардағы гендер экспрессиясын реттелуі

Ф. Жакоб және Ж. Моно өздерінің  тәжірибелері нәтижесінде мынадай  болжам жасады: Z+, Y+, A+ кластерлі гендердің  транскрипциялануы оператор (О+) деп аталатын геннің бақылауында болады, ал оператордың қызметі, өз кезегінде, репрессор деп аталатын (І+) ген арқылы реттелінеді. Репроссор екі тұрлі қызмет атқарады:

1. егер ортада индуктор (лактоза, аллалактоза) болмаса оның өнімі – репрессор-ақуыз молекулалары, операторды (О+) «тығындап! әрі қарай Z+, Y+, A+ гендеріне ақпаратты өткізбей, олардың транскрипциялануын болдырмайды;
2. ал егер ортада индуктор (лактоза, аллалактоза) болатын боса, онда индуктор молекулалары (лактоза, не аллалактоза) репрессор-ақуыз молекулаларына жабысып, қосылып оларды активсіздендіреді, сондықтан активсізденген репрессор молекулалары операторды (О+) «тығындап» жаба алмай, ақпарат әрі қарай Z+, Y+, A+ гендеріне өтіп олардың транскрипциялануына «рұқсат» беріледі. Осы гендердің транскрициялануы промотор учаскесінен басталады.

Ф. Жакоб, Ж. Моно –  Z+, Y+, A+  гендерін және оператор промотор учаскелерін оперон деп атаған. Олар гендердің қосылып өшірілу механизмін түсіндіретін оперон гипотизасын ұсынды. Бұл гипотиза бойынша бір метоболизмдік жолға қатысатын ферменттердіің синтезін анықтады. Құрылымдық гендер ДНҚ да қатарынан орналасып бір реттеуші генмен реттеледі. Ол ген реттеуші белокты кодтайды. Оперон дегеніміз – промотордан, оператордан және бір немесе бірнеше құрылымдық гендерден тұратын транскрипцияның және генетикалық белсенділікті реттеу бірлігі.

Сонымен, гендердің экспрессиялануының реттелуіне 3 түрлі реттеуші элементтер қатынасады.

1. реттеуші ақуыздар – транскрипцияның инициациялануында не тежелуінде РНҚ полимераза ферментінің активтігіне әсер ететін ақуыздар (репрессор);
2. эффекторлар – ұсақ, белок емес заттар, олар реттеуші ақуыз молекулаларымен қосылып олардың активтігіне әсер етеді (индукторлар – лактоза, аллалактоза);
3. реттеуші нуклеотид тізбектері – ДНҚ молекуласында болатын кейбір реттеуші нуклеотид тізбектері (промотор, терминатор). Реттеуші ақуыздардың осы учаскелерге тигізетін әсерінің нәтижесінде а-РНҚ синтезінің активтігі реттелінеді.

Ф. Жакоб және Ж. Моно өздерінің оперондық гипотезасын теория күйінде болжамдаған болатын. Ал қазіргі кезде оперон теориясының шындығы көптеген тәжірибелер арқылы дәлелденген. Мысалы,таза күйінде репрессорды бөліп алып зерттеп оның ақуыз екендігі дәлелденді; репрессор молекуласындағы амин қышқылдарының реті анықталып, оның І+ геніндегі нуклеотидтер тізбегінің кодына колинеарлы болатындығы анықталды. Сонымен қатар , реттеуші ақуыздардың ДНҚ молекуласының реттеуші аймақтарымен нақтылы байланысатындығы анықталды. Мысалы, 3,2 х 106 нуклеотид жұбынан тұратын Escherichia coli ДНҚ-сының ішінен Lac – репрессор тандап тек қана белгілі бір нуклеотидтер тізбегімен (оператор) байланысады, ал оның ұзындығы не бары 24 нуклеотид жұбына тең.

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. Реттеуші белоктың бақылауына сай белок ферменттері қажет кезде ғана синтезделіп қажетсіз уақытта синтезделмейді. Реттеуші ген құрылымдық геннен қашытықта орналасқан. Реттеуші генде құрылымдық геннің жұмысына кедергі болатын репрессор белогі туралы информация сақталады. Репрессор белогі құрылымдық генге оператор гені арқылы әсер етеді. Яғни құрылымдық геннің іске қосылуы мен тоқтатылуы оператор гені арқылы жүзеге асырылады. Барлық құрылымдық гендерді оператор генімен қосып оперон деп атайды. Репрессор белогі 2 түрлі болады: активті және активті емес. Егер ол активтенген болса оператор генімен қосылып құрылымдық геннің жұмысын тоқтатады. Бұл кезде транскрипция жүрмейді. Полипептидтік синтезі тоқтап оперон істен шығады. Ал егер репрессор белогі активсізденсе оператор гені одан босап, оперон іске қосылады да құрылымдық гендерде транскрипцияжүріп и-РНҚ сәйкес, рибосомаларда полипептидтік тізбек синтезделе бастайды. Репрессордың 2 участігі бар: оның біреуіне индуктор байланысады, ал екіншісі операторға жалғану үшін қажет. Жакоб және Моно ұсынған оперон болжамына енгізілген толықтырулар бойыншаоператор және реттеуші гендердің арасында промотр орналасқан. Промотордың қызметі транскрипциясының басталатын жерін көрсетеді және промотордың құрамына байланысты. ДНҚ-ның қай тізбегі и-РНҚ түзілу үшін матрица болатының анықтайды.

Прокариоттарда  гендер активтілігінің реттелуі

Прокариоттар негізінде зерттелініп, анықталған гендердің экспрессиялануының реттелуіні оперондық механизмі эукариоттарға да тән. Тек, эукариоттардың айырмашылығы, көп жасушалы ағзаларда әр түрлі жасушалар бірдей және түрліше ақуыздарды синтездейді. Яғни эукариоттардың гендері екі топқа бөлінеді:

1. бір жасушаның түпкілікті, әмбебапты тіршілік қызметін қамтамасыз ететін, яғни барлық жасушалар типінде кездесетін, гендер. Оларды «тұрмыстық» гендер деп атайды, оларсыз кез келген жасушаның тіршілігі мүмкін емес;
2. жасушаның ереше қызметтерін қамтамасыз ететін және тек жасушаларда ғана тән кейбір жасушаларда ғана актив болатын гендер. Оларды «молшылық» гендері деп атайды.

Транскрипциялық бақылаудың екі түрі бар негативті және позитивті.

Ген активтілігін негативті  бақылау жасушада геннің транскрипциясын тоқтататын арнайы факторлар – ингибиторлардың болуына негізделген. Жасушада сонымен қатар транскрипцияның басталуына мүмкіндік беріп, ингибиторларға қарсы әрекет көрсететін индуктор-факторлар болады.

Ген активтілігі позитивті  бақылау, промоторды активтендіріп, транскрипцияны бастайтын эффекторлық белок молекулалары мен геннің әрекеттесуіне байланысты.

І. Негативті бақылау

Индукцияланатын жүйелер (индукцияланатын оперондар). Бұл  жүйелерде индукцияланатын ферменттердіің синтезі жасушаны қоршаған ортада индуктор деп аталатын арнайы зат-субстрат бар кезде ғана жүреді. Өйткені ферменттер осы субстратты ыдырату тиіс.

Құрылымдық немесе структуралық гендердің транскрипциясы оператор генінің бақылауында болады. Ал оператор құрылымдық гендерге басқа реттеуші ген-репрессор гені арқылы әсер етеді. Репрессор генінен транскрипция нәтижесінде репрессор белогы синтезделеді. Репрессор гені оперонның құрамына кірмейді.

Оперондағы құрылымдық гендердің ерекшелігі – олар оперонда қатарласа орналасқан кластерлік гендерді құрайды. Ол кластерлік гендерден тұтас бір ғана полицистронды РНҚ тұзіледі. Полицистронды РНҚ-дан трансляция нәтижесінде жалпы қызмет атқаратын бірнеше белок-ферменттер синтезделеді.

Репрессибельдік жүйелер

Жасушадағы кейбір ферменттердің мөлшері олар синтездейтін соңғы өнімдердің концентрациясына байланысты өзгеріп отырады. Егер жасушада соңғы өнімдердің мөлшері жоғары болып, артып кетсе ол ферменттердің синтезі тоқталады. Ондай ферменттерді репрессибельдік ферменттер деп, ал соңғы өнімдерін – орепрессор деп аталады.

Реттеуші ген апорепрессор деп аталатын затты синтездейді. Апорепрессор корепрессормен қосылып  активті қызмет атқаратын репрессор  молекуласын түзейді. Репрессор  синтездік процестерге қатынасатын  барлық гендердің активтілігін тежейді.

ІІ. Позитивтік бақылау

Коптеген бактериялық  гендер позитивтік бақылаудың қарамағында  болдаы. Гендер активтілігінің позитивтік бақылану механизмі нақты фактор бар кезде активтілікті күшейтіп РНҚ-полимеразаның промоторға жалғануы мен а-РНҚ-ның синтезделуін жылдамдатады.

Гендер активтілігін позитивті бақылауға мысал ретінде  өзімізге белгілі E.coli-дің Lac-оперонын алайық. Позитивтік бақылаудың мәні мынада, жасушада глюкоза мен галактоза бар кезде Lac-оперон активті емес, сондықтан Lac – а-РНҚ-ның синтезі жүрмейді, β-галактозидаза ферменті де синтезделмейді, Лактозалық іс-репрессорын активсіздендіру үшін ортада тек глюкозаның болғаны жеткіліксіз. Глюкозаға қосымша элемент циклдық АМФ-катаболизмдік активтендіруші белок (КАБ)-тың болуы қажет. Олай болса жасушада Lac – а-РНҚ-ның транскрипциясы ол ортада индуктор ретінде глюкоза және циклдық (ц) АМФ-КАБ бар кезде жүреді. Циклдық (ц) АМФ-КАБ-тың активтілігі глюкозаның концентрациясына байланысты. Глюкоза Lac-оперонның актитілігіне жанама ингибиторлық (тоқтататындай) әсер етеді.

Циклдық АМФ-тың кішігірім  молекулалары ішек таяқшасынан басқа  көптеген бактерияларда да кездеседі, олардың синтезделуі аденил –  циклаза ферментінің көмегімен  жүреді.

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. 1972 жылы Григорьев ұсынған схема бойынша әр бір оперон информациясы бар зона құрылымдық гендерден және информациясы жоқ акцепторлық аймақтан тұрады. Эукариот гендерінің экспрессиясы реттелуі 5 кезеңнен жүреді:

1. Гендік кезең – құрылымдық геннің көпшілігі ДНҚ кесінділерінен тұрады. ДНҚ кесіндісінің саны синтезделетін белоктың мөлшерін анықтайды. Егер ДНҚ көшірмесінің саны аз болса белок та жеткіліксіз мөлшерде түзіледі де ұзақ алмасу бұзылады.
2. Транскрипциялық кезең – мұнда ДНҚ-ның құрылысына сәйкес про-и-РНҚ түзіледі. Про-и-РНҚ экзонинтронды участіктен тұрады. Мутацияға байланысты нуклеотидтер ретінің өзгеруі генетикалық ақпаратты өзгертеді.
3. Посттранскрипция кезең – түзілген про-и-РНҚ процессинг және сплайсингтің нәтижесінде жетілген и-РНҚ айналады.
4. Трансляция кезең – аминқышқылының полипептидтік тізбек жүреді.
5. Посттрансляциялық кезең – синтезделген полипептидтік тізбектерден арнайы ферменттердің қатысуымен сутекті, гидрокопты және SS байланыстар түзіліп 2-ші, 3-ші, 4-ші реттік құрылымдық белоктар қалыптасып организмның қызметін атқаруға бағытталады.

Эукариоттарда гендер активтілігінің реттелуі

Эукариоттарда гендер активтілігі  реттелуінің екі типін ажыратады:

1. Қысқа мерзімді немесе қайтымды реттелу бактериялардағы реттелуге сәйкес, ортадағы өзгерістерге жасушаның жауап қайтаруы болып табылады. Реттелудің бұл типі жасушадағы субстрат деңгейінің жоғары не төмен болуына байланысты ферменттер активтілігінің өзгеруімен сипатталады.Осы реттелу типі сонымен қатар, митоздың түрлі кезеңдерінде байқалатын ДНҚ, РНҚ және белоктардың синтезделу жылдамдығының өзгерістерін де жатқызады.
2. Ұзаққа созылған немесе қайтымсыз реттелу – дамудың ұрықтану және зигота түзілу кезеңінен бастап көп жасушалы ағза түзілуге дейінгі аралықта жүретін детерминация, дифференциация таға басқа процестерінде жүреді.

Эукариоттарда гендер активтілігі  реттелудің осы екі типі тұқым  қуалау ақпаратының жүзеге асырылуының  мына кезеңдерінде байқалады:

1. Геномдық деңгейде (ДНҚ) реттелу;
2. Транскрипциялық деңгейде реттелу;
3. Трансляциялық деңгейде реттелу;
4. Пострансляциялық деңгейде реттелду;

Гендер активтілігінің геномдық деңгейде (ДНҚ( реттелуі

Эукариоттық жасушалардағы  нақты бір ген класстары біршама  тұрақты транскрипцияланып өте сирек жағдайда репрессияға ұшырауы мүмкін.

Тек арнайы қызмет атқаратын  үлпалар мен жасушаларда ғана активтілік көрсететін «сән-салтанат»  гендерінің болуы, гендер активтілігінің біркелкі еместігін (дифференциалдығы) ереже деп түсіну қажеттілігін дәлелдейді. Арнайы қызмет атқаратын жасушалардағы «сән-салтанат» гендерінің активтілігне мысал ретінде глобин, кристаллин, фибрин. Овальбумин, казеин, иммуноглобин т.б. белоктарды анықтайтын гендерді алуға болады.

Геномдық (ДНҚ) деңгейде гендер активтілігі реттелудің 5 типін ажыратады:

Толық генетикалық блок (геномның активсізденуі) байқалады:

1. Жасушалық циклдың митоздық бөліну кезінде хроматин аса жоғары дәрежеде ширатылған күйде болып хромасоманы қалыптастырады және осы кезде барлық гендердің транскрипциялық активтілігі тоқталады;
2. Мейозда, жыныс жасушаларының бөлінуі кезінде; тек омыртқалылардың мейоздық диплотена сатысындағы ерекше құрылысты хромосомаларында активтілік сақталады;
3. Сүтқоректілердің аналық ағзаларындағы жыныстық екі Х-хромосоманың біреуі (сомалық жасушаларда) эмбриогенездің бастапқы сатыларында тығыздалып, гетерохроматиндік жыныстық Х-хроматинге немесе Барр денешігіне айналады. Осы – Х-хромосомадағы гендердің басым көпшілігі активтілігін жояды. Бірақ жаңадан түзіліп жатқан оотидтерде Барр денешігі болмайды, сондықтан Х-хромосомалардың екеуі де активтілігін сақтайды.
4. Аталық ағзалардың жыныс жасушаларындағы гендер активті емес, олардың активтенуі тек ұрықтанудан кейін жұмыртқа жасушасының цитоплазмасында жүреді.
5. Транскрипциялық активтіліктің кешігуі сонымен қатар кейбір өсімдіктердің тұқымдарында, диапауза жағдайындағы жасушалардың гендерінде, бактериялар мен төменгі сатыдағы саңырауқұлақтардың спораларындағы гендерінде байқалады.

Гендер активтілігінің транскрипциялық деңгейде реттелуі

Гендердің активтілігі транскрипциялық деңгейде гистонды белоктармен де гистонды емес белоктармен де реттелуі мұмкін. Гендердің активтілігі кезінде нуклеосомалар көрінбей, жоғалып кетеді, бірақ көпшілік жағдайда қызмет атқарып жатқан активті ДНҚ-да нуклеосомалар толығымен жоғалмай тек сандарының азаюы байқалады. Олай болса хроматиндегі нуклеосомалардың болуы немесе санның азаюы, жоғалуы ДНҚ транскрипциясына әсер етеді.