Особенности регуляции экспрессии генов у эукариот

Регуляция экспрессии генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма.

Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы прояв­ляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов.

Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.

1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов - регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах.

2. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких.

3. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов.

4. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов (про-и-РНК), т.е. сплайсингом.

5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК.

6. Транскрипция в эукариотических клетках не всегда сопряжена с трансляцией. Синтезированная и-РНК может длительное время сохраняться в виде информосом. Транскрипция и трансляция проис­ходят в разных компартментах.

7. Некоторые гены эукариот имеют непостоянную локализа­цию (лабильные гены или транспозоны).

8. Методы молекулярной биологии выявили тормозящее действие белков-гистонов на синтез и-РНК.

9. В процессе развития и дифференцировки органов активность генов зависит от гормонов, циркулирующих в организме и вызывающих специфические реакции в определенных клетках. У млекопитаю­щих важное значение имеет действие половых гормонов.

10. У эукариот на каждом этапе онтогенеза экспрессировано 5-10% генов, остальные должны быть заблокированы.

 

Генетический импринтинг

Одно из основных правил наследования признаков является правило равнозначной функции аллеля, полученного от отца и от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться.

Функции генов взаимосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такое явление объясняется генетическим импринтингом, т.е. механизмом, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены - материнского или отцовского организма.

Следовательно, генетический импринтинг - это эпигенетический (надгенетический – не кодируемый) процесс маркировки (обозначения) некоторых локусов хромосом одного из родителей, что сопровождается выключением экспрессии расположенных в маркированных локусах генов. Таким образом, в участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов. При этом в одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно,

транскрибируются материнские, а в других - материнские, и, следовательно, транскрибируются отцовские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства.

В итоге, фенотипическое проявление конкретного гена может меняться из-за трёх причин: его делеции, мутации в нём и эпигенетического выключения экспрессии, т.е. импринтинга.

Механизм импринтинга наиболее вероятно заключается в специфическом метилировании цитозиновых оснований ДНК, что приводит к выключению транскрипции генов.

Сейчас у человека известно около 30 генов, подверженных импринтингу и имеющих тканеспецифическую моноаллельную экспрессию, и 3 кластера (пучков) генов, локализованных в 7q, 11p и 15q хромосомах. В случае отсутствия мутаций это явление обеспечивает фенотипическое разнообразие белковых структур на уровне организма. Если же в этих участках происходит мутация (микроделеции, микродупликации), то все они имеют отношение к наследственной патологии.

Генетический импринтинг может затрагивать целую хромосому и даже геномы. При изучении геномного импринтинга у человека на примере пузырного заноса (ткани эмбриона не развиваются, бурно разрастается [пролиферирует] трофобласт, заполняющий полость матки) стало известно, что развитие плаценты обеспечивается геномом отца, а раннее развитие эмбриональных структур - геномом матери.

 

VI. Генетическая инженерия

Генетическая инженерия - это один из разделов молекулярной биологии и генетики, который занимается генетическим конструированием по заранее намеченному плану для создания организмов с новой генетической программой. Этот раздел науки появился в 70-х годах прошлого столетия, когда американским генетиком П. Бергом впервые в мире была получена гибридная ДНК.

С технологической стороны генетическая инженерия включает в себя три этапа:

• получение генов путем их искусственного синтеза или путем выделения генов из природного материала;

• включение генов в векторную, автономно реплицирующуюся молекулу ДНК, т.е. создание гибридной молекулы ДНК;

• введение гибридной ДНК в клетку-реципиент с последующим включением соответствующего гена в ее хромосому.

Впервые искусственным путем ген был получен индийским ученым Г.Корана в 1967 году путем химического синтеза - это был ген, контролирующий синтез инсулина. Позже стали выделять гены из генома, используя для этого ферменты рестриктазы, действующие на строго специфичные последовательности нуклеотидов и, следовательно_, «разрезающие» молекулу ДНК в определенных участках. Сейчас известно более 500 видов рестриктаз. Полученные таким путем гены лишены интронов, так как их «вырезают» рестриктазами. Поэтому эти гены можно использовать для получения гибридных ДНК с ДНК бактерий. Обеспечивается транскрипция этих «новых» генов бактерии регуляторными генами оперона бактериальной клетки. Таким способом были получены опероны, контролирующие синтез инсулина в кишечной палочке.

Достижения современной молекулярной генетики позволяют выделять гены с пограничными областями, содержащими в себе важные регуляторные последовательности.

После, того как будет получен ген, его встраивают в плазмиду или умеренный фаг, которые используются в качестве средства переноса (вектора) для введения данного гена в какую-нибудь бактериальную клетку, где они размножаются (клонируются) вместе с реплицирующимся вектором. Перед введением нужного фрагмента ДНК в плазмиду, ее (плазмиду) переводят в линейную форму (“разрезают” рестриказой) для того, чтобы присоединить с помощью ДНК-лигаз необходимый ген. В зависимости от целей используют разные плазмиды. Существуют плазмиды с широким кругом хозяев, способные размножаться во многих бактериальных клетках, но есть и такие, которые размножаются в двух или даже в одном виде бактерий.

Перенос (трансдукция) чужеродной ДНК в виде данного гена у эукариот осуществляется с помощью не онкогенных вирусов и фагов.

Создание искусственных генов, получение рекомбинантных ДНК может привести к появлению организмов, не встречающихся ранее на Земле. Так в США была получена кишечная палочка с генами стафилококка и обладающая свойствами обоих микроорганизмов. Угроза получения бактерий с новыми патогенными свойствами и устойчивыми к лекарствам заставили ученых - генетиков обсудить этот вопрос на Международной конференции в США (1975), где были определены основные положения манипуляций с генетическим материалом, чтобы не происходило случайного выхода из экспериментальных лабораторий рекомбинантных микроорганизмов.

Успехи генетической инженерии должны быть направлены на борьбу с наследственными заболеваниями и получение новых форм микроорганизмов для использования их в биотехнологических процессах, то есть для промышленного получения хозяйственно ценных веществ из нетрадиционных продуктов: белков из парафина и нефти, метанола и этанола из природного газа и т.д. Генетическая инженерия позволяет получить также микроорганизмы, способные продуцировать некоторые лекарственные препараты, гормоны и биологически активные пищевые добавки. Таким способом получены интерферон, человеческий инсулин, некоторые антибиотики, органические кислоты и многое другое.

Успехи, достигнутые в области рекомбинантной ДНК, позволили уже в 80-х годах прошлого столетия разрабатывать условия для «генной терапии» наследственных болезней. «Генная терапия» - это доставка нового генетического материала в клетки больного, что обеспечивает лечебный эффект.

Осуществление генной терапии возможно двумя путями:

1 - перенос необходимого гена (трансгеноз) в изолированные из организма соматические клетки, т.е. in vitro; клетки получают в результате резекции соответствующего органа больного или пункции и после трансгеноза возвращают в организм (реимплантация);

2 - прямой трансгеноз - введение генетического вектора с заданным геном непосредственно в организм, т.е. in vivo.

Впервые метод «генной терапии» был применен 14 сентября 1990 г. у девочки 4 лет (США), страдающей тяжелой комбинированной формой первичного иммунодефицита - введением in vitro, в Т- лимфоциты девочки гена аденозиндезаминазы.

С этого же года выходит журнал «Генная терапия». Однако применять эти методы надо крайне осторожно, т. к. генетика человека еще не располагает достаточными сведениями о том, как будет реагировать наш генетический аппарат на введение дополнительной генетической информации.