Прокариот және эукариот гендерінің экспрессиялы реттелуі

Ф КГМУ 4/3-04/01

ИП №6 УМС  при КазГМА

От 14 июня 2010 г.

Қарағанды мемлекеттік медицина университеті

Молекулярлық  биология және медициналық генетика кафедрасы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дәріс

 

Тақырыбы: «Прокариот және эукариот гендерінің экспрессиялы реттелуі»

Мамандығы: 051301 «Жалпы медицина»

Курс: 1

Уақыты: 50 мин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қарағанды 2009

 

 

 

Молекулалық биология және медициналық генетика кафедрасының отырысында талқыланды

Хаттама № ____________

 

«_____» __________ 2009ж.

 

 

Молекулярлық  биология және

медициналық генетика каф. меңг., б.ғ.д, профессор             Б.Ж. Құлтанов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дәріс құрылымы

 

Тақырыбы: «Прокариот гендерінің экспрессиялы реттелуі»

 

Мақсаты: Прокариотты клеткалар геномын және прокариоттағы генетикалы ақпараттың экспрессиялы ерекшеліктерін, транскрипция сатыларын оқып білу.

Дәрістің  жоспары:

1. Онтогенез процесіндегі генетикалы ақпараттың іске асырылу тәртібі.
2. Генетикалы ақпаратты берудегі репликацияның маңызы.
3. Кейбір ақуыздардың құрылымы туралы ақпараттар экспрессиясының сатылары.
4. Транскрипцияға сипаттама.
5. Трансляцияға сипаттама.
6. Жакоб және Моно оперонының моделі.
7. Негативті реттелу, оның бір ізділіктігі.
8. Позитивті реттелу, оның ерекшеліктері.

 

Дәріс тезистері

 

ДНҚ-да барлық ақуыздардың  құрылысы және ағзаның РНҚ-сы туралы ақпарат, және де онтогенез процессінде әртүрлі клеткаларда осы ақпараттың жүзеге асырылу тәртібі болады.

Ағзаның барлық сомалық клеткаларында 46 хромосома  жиынтығы болады және клеткалар аралығында айырмашылық болғанымен,  олардың  барлығының ДНҚ бір ақпараттан тұрады.

Репликация  процессінде генетикалық ақпарат  түгелдей көшірмесін алады және жаңа ұрпаққа береді.

Ссы ақпарат  клеткада, барлық тіршілік әрекеті  процесстерімен қамтамасыз етіле отырып, экспрессирленеді (жүзеге асырылады).

Бірақ, ядрода барлық ақпарат экспрессирленбейді, тек оның азғантай бөлігі ғана. Белгілі ақуыздардың құрылымы туралы ақпараттың экспрессиясы 2 –этаптан тұрады:

1. Транскрипция: клетка ядросында, белгілі генде матрицалы РНҚ (м-РНҚ) пайда болады. (Бұл ақуыз құрылымы туралы ақпаратты ДНҚ-дан м-РНҚ-ға көшіріп жазу).

Транскрипцияның өнімін дұрысырақ, м-РНҚ-ң негізін құрушы деп атайды, яғни ол ядрода пісіп  жетілуге немесе процессингке ұшырайды, бұл кезде ол модифицирленеді. Тек  процессингтен кейін, толған м-РНҚ  ядродан цитоплазмаға келіп түседі.

Геннің экспрессиясының 2-ші этапы – трансляция- рибосомалардағы м-РНҚ-ң бағдарламасы бойынша ақуыздың синтезі.

Бұл бағдарламаның  мағынасы – аминқышқылдардың пептидті тізбекті түзіп, белгілі бір ізділікті  қосылуы.

Бір геннің транскрипциясы тұрақты жүрмейді, уақытқа байланысты жүреді, яғни гендер қосылып және ажырап отырады немесе гендер белсенді немесе белсенсіз халде болады.

Прокариоттарда  гендерді қосатын өнімдерді индуктор, ал ажырататын өнімдер-репрессор деп  аталынады.

Индуктор-бұл  спецификалық реттелуші сигнал немесе бір реакцияның соңғы өнімі.

Репрессор –  бұл белок. Ген, экспрессия индуктордың  әсеріне деген жауапты күшейтеді. Бұл процесс индуцибельді ген  деп аталады. Эукариот гендерінде индуктордың  орнына реттеуші термині қолданылады. Реттеуші болып: белок, белсенді оттегі, металл саналады.

Геннің экспрессиялы реттелуі – бұл ДНҚ-ның әртүрлі  бөлігіне немесе нүкте аймағына (сайттарға) белгілі өнімдер, мысалы белоктың спецификалы  өзіндік қосылуын, транскрипцияның  басталуы деп атаймыз. Сонымен гендердің экспрессиялы реттелуі дегеніміз қоршаған орта өзгерістеріне организмнің бейімделуі.

 

Прокариот гендерінің экспрессиялы реттелуі.

1961 жылы Жакоб  және Моно оперон моделін ұсынған  болатын. Олар ішек таяқшасындағы  лактоза метаболизмін зерттеген  болатын. Ол үш ферментпен іске асады және ұш құрылымды гендермен кодталынады. Құрылымды гендердің тізбектелініп орналасқан және физикалы өзара байланысқан.

Гендердің тізбектелініп  орналасуы бір ғана реттеуші орталықтың көмегімен, барлық үш құрылымды гендерді экспрессиялы реттеуге көмектеседі, үш құрылымды гендер туралы хабар РНҚ-ның бір молекуласында жазылынған. Бұл процесс полицистронды м-РНҚ деп аталынады. Полицистронды м-РНҚ тек прокариоттарға ғана тән.

Реттеуші  орталықтың құрылысы. Реттеуші орталық құрамына ген кіреді және әруақытта жұмыс халінде болады және экспрессия спецификалық реттелуге ұшырамайды, сондықтан конститутивті деп аталынады. Бұл геннің өнімі – ақуыз - репрессор. Ақуыз - репрессор 4 субьбірлікті молекула.

Конститутивті геном және құрылымды гендер арасында оперативті локус немесе оператор және промотор болады.

Оператор – бұл ДНҚ бөлігі, ұзындығы 27 жұп негізді. Промотор, оператор және құрылымды гендер қосындысы оперон деп аталады.

Прокариоттарда  гендердің реттелуінің 2-і типі белгілі: позитивті және негативті.

Негативті бір ізділікті реттелу: конститутивті ген әруақытта белок – репрессорды түзіп отырады. Бұл репрессор лактоза жоқ кещде операторға отырып РНҚ-а полимеразаның промоторға қосылуына кедергі жасайды. Бұл кезде полицистронды м-РНҚ- ның синтезі жүрмейді.

Егер клеткаға индуктор (лактоза) енсе, ол репрессормен қосылып, оның конформациясын өзгертіп, операторды босатады.

Бос оператор – бұл сигнал, яғни РНҚ полимеразаның промоторға қосылуына көмектеседі, және полицистронды м-РНҚ транскрипциясы басталады. РНҚ полимеразаның промотормен қосылуының міндетті жағдайын қолдаушы, циклді АМФ және катаболитті гендердің белсенді ақуыздарының болуы. Прокариоттарда м-РНҚ- синтезі аяқталынбай жатып, ақуыз синтезі басталынады, және лактоза өзіндік ыдырайды. Лактоза концентрациясы төмендегенде репрессор босаңсып, оператормен қосылып м-РНҚ синтезіне бөгет жасайды. Мұндай оперон типі индуцибельді деп аталады.

Оперонның басқа варианты – соңғы өнімдер реакциясының реттелуі (эффектор) болып табылады. Бұл кезде реттеуші-ген белсенсіз ақуыз-репрессор синтезін анықтайды.

Соңғы өнімдер  реакциясы белсенсіз репрессормен байланысып, оларды белсенді халге  алып келеді. Репрессор оператормен  байланысып құрылымдық гендердің транскрипциясын  бөгейді және бұл процесс эффектор концентрациясы төмендегенге дейін жүреді. Содан кейін эффектор репрессордан ажырап, репрессор төмендеп оперон жұмысы жаңарады. Оперонның мұндей типі репрессивті деп аталынады, мысалы: триптофан метаболизмінің реттелуі осылай жүреді. Прокариоттарда гендердің экспрессиялы реттелуі транскрипция деңгейінде өтеді.

Эукариот генінің құрылысы.

Эукариоттарда екі аймақ белгілі: құрылымды және реттелуші.

Олар транскрипция басында  сайтпен бөлінген. Құрылымды аймақ  құрылымдық гендермен қамтылған. Ген  кодталынған бір ізділікті экзоннан және кодталынбаған бір ізділікті  интрондардан тұрады. Интрондар ұзындығы 80-1000 және оданда көп нуклеотидтерден тұрады. Интрон консенсусті аймақпен шектелінген және консервативті, оларға нақты бір ізділік міндетті емес. Бұл процесс интрондардың үзілу механизмдерімен байланысты. Интрондар саны 2-50 көлемінде.

Реттеуші  аймақ 2- элементтерден тұрады: 1-ші элемент базалы экспрессияның реттелу деңгейін қамтыйды /промотор/.

2-ші –қосымша экспрессиялы реттелу деңгейі.

Промотор транскрипцияның  басталуындағы нүкте /сайт/ алдында  орналасады.

Базалы экспрессиялы реттелу деңгейі 2-і элементтен тұрады: ТАТА – бокс және ЦААТ – бокс. ТАТА – бокс РНҚ полимеразаны транскрипция инициациясының сайтына бағыттайды және м-РНҚ синтезінің басталу нақтылығын анықтайды. ЦААТ – бокс транскрипция жиілігін бақылайды. РНҚ полимераза промоторды тану үшін ТАТА –фактор – үлкен ақуызды комплекс қажет. ТАТА – бокс және ТАТА – фактор бірнеше рет қолданатын транскрипциялы комплекс түзеді.

Базалы реттелу  элементтерінің жалпы қасиеті: олар ақуызды факторлар немесе реттеуші белоктармен қосылғанда жұмыс халінде болады. Реттеуші ақуыздар промотор алдындағы аймақпен қосылады. Бұл ДНҚ- бөлігінде 100 жұп нуклеотидтер болады. Промотор алдындағы аймақта реттелуші ақуыздар сайттармен байланысқан.

Реттеуші ақуыздар гендермен кодталынған бір хромосомада немесе көрші хромосомада орналасқан. Бірінші жағдайда реттеуші цис-типке, ал екінші –транс типке жатады.

Реттелудің  қосымша деңгейі ДНҚ бір ізділігінің 2-і кластары кіреді. Бірінші класс –энхансерлер, ал екіншісі – сайленсерлер.

Энхансерлер және сайленсерлер әсерлері спецификалық өнімдер немесе эффекторларға тәуелді емес, олар базалы элементтердің реттелуіне әсер етеді.

Кейбір гендердің  адаптивті реттелуіне: гормондар, жылу шок, металл әсері, кейбір химиялық токсиндерге  жауап береді.

РНҚ процессингі және синтезі.

РНҚ синтезі  көп этапты күрделі процесс, энергияны  қажет етеді.  3-кезеңнен тұрады:

1.  Инициация; 2. Элонгация; 3. Терминация.

 

Инициация кезінде РНҚ полимераза промотормен қосылып ДНҚ шынжырын тарқатады. М-РНҚ бір шынжырлы. ДНҚ –да РНҚ-ның орналасуы комплементарлық принциппен өтеді. Мұндай бірізділік трансляцияның терминациялы кодоны деп аталынады.

ДНҚ транскрипциялы аймағы, яғни промотор мен терминтатор  арасында орналасса транскрипция бірілігі немесе транскриптоном деп аталынады. ДНҚ транскрипциялы аймағы, яғни промотор мен терминтатор арасында орналасқан транскрипция бірлігі немес транскриптон деп аталынады, ал түзілген РНҚ алғашқы транскриптат делінеді.

Прокариоттарда  алғашқы транскриптатта РНҚ-ның  көшірмесі бірнеше гендерден  тұрады, ал эукариоттарда – біреу ғана.

РНҚ полимеразаның  бірнеше типтері белгілі. РНҚ-ның  транскриптаттың 5^/ - соңы синтезделінеді, содан кейін кэпирленеді. Кэпирлену – бұл белгі нуклеотидтердің бірізділігінің қосылуы. Кэпирлену қызметі – РНҚ транскриптатаны бұзылудан қорғау және рибосомамен байланысады. Одан трансляция басталады,сосын кэп алынып тасталынады.

Элонгация кезеңі немесе РНҚ – транскриптатының ұзаруы. Бұл кезде ДНҚ тарқатылып және нуклеосома бұзылады. Синтез жылдамдылығы – секундына 30 нуклеотидтер. Элонгация – элонгациялы ақуызды факторлармен бақыланады. Терминация – РНҚ транскриптат синтезімен бітеді. Стоп-кодонға терминациялы ақуызды фактор қосылады. Бұл кезде транскриптаттың 3^/ - соңына 100-200 аденил қышқыл қалдықтары қлсылып поли А- құйрық түзеді. Поли А – құйрық РНҚ транскриптаттың деградациядан қорғайды және оның цитоплазмаға тасымалдануына жеңілдік жасайды. Бірінші РНҚ транскриптат нуклеоплазмада сақталынуы мүмкін немесе сплайсингке ұшырайды.

Ген – бұл  күрделі функциональді белсенді бірлік, РНҚ молекуласының синтезін реттеуге белгіленген.

РНҚ сплайсингі.

Бірінші РНҚ  транскриптат бөліктерге гетерогенді  ядролы нуклеопротеинді бөлік қосылады, бұл процесс гя-РНП-бөлк деп аталынады.

Оларда РНҚ  ұзындығы 5000 нуклеотидтерге дейін және ақуызды остьке оратылған. Гетерогенді РНП – бөліктері экзондар мен интрондарға қосылып, содан кейін жұптарымен байланысып агрегатты немесе сплайсосом түзіледі. Сплайсосом құрамына аз ядролы РНҚ кіреді. Қызметі интрондарды үзу. Интрондардың үзілуі жоғары дәлділікпен жүреді. РНҚ сплайсинг процессінде спецификалы лассо-тәрізді құрылым түзіледі. Олар интрондарды босатып экзондарды тігеді. Процессинг және сплайсинг РНҚ транскриптат: кэпирлі қайталану, инициация кодоны – метионин, экзондар, стоп-кодон және поли А соңынан тұрады. Мұндай м-РНҚ цитоплазмаға өтіп, белоктың синтез процесіне қолданылады.

Альтернативті сплайсинг. Реттелу механизмі зерттелінбеген. Альтернативті сплайсинг мәні, бір  ғана бірінші транскриптаттан әртүрлі  м-РНҚ экзондардың әртүрлі бір  ізділігін тігу арқылы алуға болады.

 

Әдебиет:

Негізгі

1. Стамбеков С.Ж., Петухов В.Л. Молекулалық биология. Оқулық/ҚР. Новосибирск: Семей МУ, 2003. –216 бет.

2. Әбилаев С.А. Молекулалық  биология және генетика. Шымкент.2008, 424 б 

3. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Н. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов, Москва: Наука, 2003,544 с.

4. Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки, Руководство для врачей. Пер с англ. М.: БИНОМ – Пресс,2003- 272 с.

5. Гинтер Е.К. Медицинская генетика. М., Медицина,2003.

6. Генетика. Учебник для ВУЗов / Под ред. Академика РАМН В.И. Иванова. – М.: ИКЦ «Академкнига»,2006.-638 с.:ил.

Қосымша:

1. Уилсон Дж., Хант Т. Молекулярная биология клетки. Сборник задач. Пер. с англ. –М.,Мир, 1994 -520 с.