Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

В эукариотических клетках много механизмов, которые могут приостановить работу гена, замедлить или, напротив, активировать его функцию. Механизмы регуляции экспрессии генов эукариот весьма многообразны, функционируют на всех этапах реализации генетической информации. Можно выделить несколько уровней функционирования регуляторных механизмов у эукариот.

Регуляция экспрессии генов на уровне инициации транскрипции. Регуляция инициации транскрипции - один из основных механизмов регуляции активности генов эукариот. В регуляции на уровне инициации транскрипции принимает участие ряд регуляторных нуклеотидных последовательностей ДНК:

- прежде всего, это расположенные близко от кодирующих последовательностей гена промоторы. Промоторы связывают РНК-полимеразу, факторы транскрипции и запускают синтез РНК;

- энхансеры (усилители) - дополнительные регуляторные элементы (последовательности ДНК), которые увеличивают эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Характерными свойствами энхансера является его способность осуществлять регуляторное действие на промотор на больших расстояниях от него (более 1000 п.н.) и независимо от расположения относительно регулируемого гена. Их функционирование основано на связывании с специфическими белками-регуляторами, которые взаимодействуют с транскрипционными факторами и, таким образом, усиливают инициацию транскрипции;

- сайленсеры (глушители) - регуляторные элементы (последовательности ДНК), которые ингибируют транскрипцию генов эукариот. Сайленсеры действуют на промоторы, расположенные также на большом расстоянии, связываясь с регуляторными белками, осуществляют негативную регуляцию транскрипции;

- инсуляторы - последовательности ДНК, расположенные между промоторами и энхансерами, которые блокируют действие энхансеров на соседние гены.

Важную роль в регуляции транскрипции играют транскрипционные факторы, которые представлены регуляторными белками. Согласно базе данных TRANSFAC известно более 2785 факторов транскрипции. Выделяют группу общих транскрипционных факторов (базовые) и группу специфических транскрипционных факторов. Базовые транскрипционные факторы связываются с «ТАТА» последовательностью промотора, необходимого для функционирования РНК-полимеразы II и, следовательно, запуска транскрипции. Функции специфических факторов транскрипции состоят в активации промоторов различных генов.

Регуляция экспрессии генов на уровне процессинга пре-и(м)РНК и транспорта транскрипта и(м)РНК из ядра.

На уровне процессинга регуляция функциональных генов связана с альтернативным сплайсингом. При альернативном сплайсинге образуются различные формы и(м)РНК из одного и того же гена и, как результат, образование разных белков. Пока неизвестно, каким образом происходит отбор конкретных РНК, подлежащих участию в трансляции. Однако можно считать это одним из механизмов регуляции активности генов.

Регуляторные механизмы экспрессии генов на уровне трансляции.

Это подавление трансляции и(м)РНК в результате связывания с ней малых некодирующих РНК: малых интерферирующих РНК (миРНК) и микроРНК (мкРНК). Регуляторные малые интерферирующие РНК- это двухцепочечные РНК длиной 19-25 п.н., которые вызывают деградацию и(м)РНК. Они дают сигнал ферментам (эндонуклеазам), которые разрушают молекулу и(м)РНК и таким образом блокируют трансляцию, а значит, блокируют работу генов. РНК-интерференция обнаружена у большинства эукариотических организмов, включая человека.

МикроРНК - одноцепочечные РНК длиной 18-24 нуклеотида, кодирующие специальными генами. Они связываются с и(м)РНК мишенью и при полной комплементарности и(м)РНК разрушают ее путем разрезания эндонуклеазами. При неполной комплементарности (чаще!) мкРНК подавляет трансляцию и(м)РНК, и(м)РНК при этом переносится в цитоплазматические структуры и там хранится.

Кроме того, выделяют позитивную и негативную регуляцию на уровне трансляции:

- позитивная регуляция на основе сродства и(м)РНК с факторами инициации, факторы инициации (специфические белки) катализируют образование инициаторного комплекса;

- негативная регуляция с помощью белков-репрессоров, которые, связываясь с и(м)РНК, блокируют инициацию трансляции.

Посттрансляционные механизмы регуляции

- сборка белка (фолдинг) - процесс, при котором белок принимает характерную для его функционирования пространственную структуру;

- отщепление фрагментов;

- химическая модификация (ацетилирование, фосфорилирование, гликозилирование и др.);

- достижение места своего функционирования.

Лекция 10

Изменчивость. Формы изменчивости: фенотипическая и генотипическая. Фенотипическая изменчивость, ее характеристика. Комбинативная изменчивость. Мутационная изменчивость. Классификация мутаций. Генные мутации.

Изменчивостью называют способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства. Изменчивость определяет разнообразие в строении и функциях организмов, относящихся к одному виду. Важной характеристикой изменчивости является то, что она отражает взаимодействие организма с внешней средой.

По причинам возникновения, по механизму развития изменчивость может быть результатом различных процессов, но с генетической точки зрения изменчивость представляет собой результат реакции генотипа в процессе индивидуального развития организма на условия внутренней и внешней среды. В силу того, что разнообразны причины и механизмы развития изменчивости, выделяют и различные ее формы.

Фенотипическая изменчивость

Каждый организм развивается и обитает в определенных условиях, испытывая на себе действие факторов внешней среды: колебания температуры, освещенности, влажности и др. Под влиянием условий среды фенотипические признаки организмов могут меняться. Эти изменения фенотипа и составляют сущность фенотипической изменчивости. На действие определенного фактора внешней среды все организмы биологического вида реагируют специфически и одинаково. Реакция (в форме изменения признака) оказывается сходной у всех особей данного вида. В этой связи фенотипическая изменчивость характеризуется массовым характером изменений, затрагивающих большинство особей в популяции. Поэтому фенотипическую изменчивость называют групповой (определенной по Ч. Дарвину). Фенотипические изменения, которые возникают под влиянием условий среды, называются модификациями. Степень варьирования фенотипических изменений (модификаций) зависит от индивидуальных особенностей генотипа и может колебаться в определенных пределах. Диапазон изменчивости, в пределах которого в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, получил название нормы реакции. Таким образом, норму реакции можно рассматривать как предел модификационной изменчивости. В зависимости от признака норма реакции может быть узкой и широкой. При узкой норме реакции имеет место фактически одинаковое состояние признака в широком спектре условий среды. При широкой норме реакции признак отличается значительной изменчивостью, вариабельностью проявления в зависимости от условий среды.

Норма реакции специфична для отдельных признаков, определяется индивидуальными особенностями генотипа и наследуется. Важно знать, что модификации, идущие в пределах нормы реакции, имеют адаптивный (приспособительный) характер. Они обуславливают приспособление организмов к изменениям среды. В этом роль и значение фенотипической изменчивости для существования организмов.

Примеров модификационной изменчивости в природных популяциях много. Один из них - вариабельность формы листа у стрелолиста (Sagittaria sagittifolia). Это растение может расти на берегу реки или озера, или быть частично погруженным в воду. Встречаются отдельные экземпляры, целиком погруженные в воду. Надводные листья растения имеют стреловидную, плавающие по поверхности воды сердцевидную, подводные листья - характерную для водных растений лентовидную форму (рис. 1).

1 – воздушные;

2 – надводные плавающие;

3 – водные, длинные узкие.

Рис. 1. Вариабельность формы листа стрелолиста

Одним из классических примеров модификационной изменчивости у животных являются опыты с изменением окраски шерсти у горностаевых кроликов. У этой породы мех белый, но отдельные части тела: лапы, уши, кончик морды, хвост - черные. Если на спине кролика, которая покрыта белой шерстью, выбрить небольшой участок и поместить животное в условия пониженной температуры, то на оголенном месте вырастет черная шерсть. Этот факт наглядно свидетельствует о роли одного из физических факторов среды - температуры в формировании такого признака, как окраска шерсти кролика. Если от таких кроликов получить потомство и выращивать в обычных условиях, то потомки будут иметь исходный тип окраски. Это доказывает, что данная изменчивость не затрагивает генотип, не передается по наследству и ограничивается изменением только фенотипа.

Что касается механизма фенотипической изменчивости, то следует признать, что механизмы ненаследственной изменчивости исследованы пока намного хуже механизмов наследственной изменчивости. Во многом эти механизмы, по-видимому, связаны с изменением экспрессии генов. Факторы среды могут изменять активность генов, действуя через различные регуляторные механизмы, что изменяет их фенотипическое проявление. Однако полностью сводить фенотипическую изменчивость к процессам регуляции активности гена, вероятно, нельзя. Существует явление спонтанной или случайной фенотипической изменчивости. Сущность случайной изменчивости состоит в том, что любому признаку в ходе его реализации при развитии организма свойственна известная степень чисто случайных колебаний, даже при идеальном постоянстве генотипа и среды. Считается, что подобная изменчивость присутствует всегда и отражает неустойчивость процессов фенотипической реализации генотипа.

В настоящее время широко ведутся работы по выявлению молекулярных механизмов фенотипической изменчивости. Это важно и для медицинской практики, так как знание возможности возникновения фенотипической изменчивости и механизмов ее развития позволяет оценить роль факторов внешней среды в развитии того или иного фенотипа и, следовательно, в развитии того или иного заболевания.

Многие модификации, особенно те, которые индуцируются физическими, химическими и другими факторами, резко изменяют фенотип особи, вызывая иногда уродства. Они не носят адаптивного характера и получили название морфозы. Иногда трудно отличить модификационные изменения, которые вызваны факторами среды, от изменений генетической природы в силу их сходства. Такие модификации получили название - фенокопии. Например, у женщин, перенесших в ранний срок беременности краснуху, нередко рождаются дети с врожденной катарактой (помутнение хрусталика глаза), которая не отличается от наследственной катаракты. Это надо понимать и при диагностике разграничивать заболевания генетической и фенотипической природы.

Генотипическая изменчивость

Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа. Приобретаемые вследствие этой изменчивости признаки передаются по наследству. Существует две формы генотипической изменчивости: комбинативная и мутационная.

Комбинативная изменчивость заключается в появлении новых признаков и свойств организма в результате образования иных комбинаций генов родителей в генотипах потомков. Комбинативная изменчивость связана с тремя явлениями: 1) с перекомбинацией генов при кроссинговере в профазу мейоза I, что обеспечивает образование новых комбинаций отцовских и материнских генов в хромосомах будущих гамет; 2) с независимым распределением хромосом при их расхождении в анафазу мейоза I, что сопровождается случайным комбинированием отцовских и материнских хромосом в будущих гаметах; 3) со случайным и равновероятным сочетанием гамет при оплодотворении. При оплодотворении в зиготе возникают новые комбинации генов и формируется генотип особи.

В процессе комбинативной изменчивости сами гены не меняются, меняется лишь сочетание их, что приводит к появлению потомков с новыми генотипами. Комбинативная изменчивость обеспечивает генетическое разнообразие особей в пределах вида и играет важную роль в эволюции.

Мутационная изменчивость

Термин «мутация» впервые был предложен Г. Де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория» (1901). Мутацией Г. Де Фриз назвал явление скачкообразного, прерывистого изменения наследственного признака. В настоящее время термином «мутация» обозначают внезапные, наследуемые изменения генетического материала, которые могут возникать без видимых причин (спонтанно), либо быть индуцированы внешним воздействием на организм. Процесс возникновения мутаций именуют мутагенезом. Организм, приобретший какой-либо новый признак и тем самым изменивший свой фенотип в результате мутации, называют мутантом.

Теория мутаций была обоснована и сформулирована в 1901 г. Г. Де Фризом. Ее основные положения:

- мутации возникают внезапно без видимых переходов;

- возникшие новые формы в результате мутации вполне устойчивы;

- мутации являются качественными изменениями;

- мутации происходят в разных направлениях, они могут быть как полезными, так и вредными;

- одни и те же мутации могут возникать повторно.

По происхождению все мутации можно разделить на две группы: спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации происходят в естественных условиях без всякого видимого внешнего воздействия. Индуцированные мутации возникают под влиянием специальных воздействий (ионизирующей радиации, химических веществ, высокой температуры и др). Однако по механизму развития принципиальных различий между спонтанными и индуцированными мутациями нет.

По месту возникновения различают генеративные (герминальные) мутации, возникающие в половых клетках и передающиеся по наследству, и соматические, образующиеся в клетках тела, не участвующих в размножении. Соматические мутации часто ведут к появлению генетических мозаик, у которых измененной окажется лишь часть организма, развивающаяся в результате деления мутантных клеток.

По характеру изменения фенотипа различают: морфологические (видимые), физиологические и биохимические мутации.

Морфологические мутации проявляются изменением в строении организмов. К ним относятся, например, коротконогость у ряда сельскохозяйственных животных (овец, коров и т.д.), бескрылость у насекомых, гигантизм, карликовость, альбинизм у человека.

К физиологическим относят мутации, влияющие на жизнеспособность организмов, их развитие, ведущие к нарушению таких процессов как кровообращение, дыхание, умственная деятельность у человека, поведенческие реакции у животных и т.д.

Биохимические мутации представляют собой обширную группу, объединяющую все случаи изменения качества или количества, синтезируемых определенных химических веществ в организме, например, ферментов. Сюда относят различные мутации, нарушающие синтез ферментов, участвующих в репликации ДНК, репарации ее повреждений, транскрипции и трансляции генетического материала.

Классификация мутаций по фенотипу, по их проявлению условна. В действительности в основе проявления всех мутаций, как правило, лежат изменения биохимических процессов.

В зависимости от влияния на жизнеспособность и плодовитость мутации можно разделить на летальные, полулетальные, условно летальные, стерильные, нейтральные и усиливающие. К летальным относят мутации, ведущие к гибели зародышей, плода, что связано с отсутствием или недоразвитием жизненно важных органов у животных и человека.