блок, располагающийся на расстоянии 25 пар нуклеотидов от точки начала
транскрипции. Установлено, что для успешного присоединения РНК-полимеразы II
к промотору необходимо предварительное соединение с ТАТА-блоком особого
белка — фактора транскрипции — с образованием стабильного транскрипционного
комплекса. Именно этот комплекс ДНК с белком узнается РНК-полимеразой II.
Последовательности нуклеотидов, примыкающие к ТАТА-блоку, формируют
требуемый для транскрипции элемент, расположенный перед промотором.
Другая область, играющая важную роль в регуляции активности
эукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора (до
нескольких тысяч пар нуклеотидов) и называется энхансером (от англ. enhance —
усиливать).
И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов содержат
серию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются с
соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих
белков происходит включение или выключение генов.
Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является также
существование белков-регуляторов, которые способны контролировать
транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В
связи с этим некоторые (главные) белки-регуляторы обладают координирующим
влиянием на активность многих генов и их действие характеризуется плейотропным
эффектом (рис. 3.88). Примером может служить существование белка, который
активирует транскрипцию нескольких специфических генов, определяющих
дифференцировку предшественников жировых клеток.
Регуляция экспрессии многих генов эукариот
одним белком-регулятором
Ввиду того что в геноме эукариот имеется много избыточной ДНК, а в каждой
клетке организма транскрибируется всего 7—10% генов, логично предположение о
том, что у них преобладает позитивный генетический контроль, при котором
активация небольшой части генома оказывается более экономичной, нежели
репрессия основной массы генов.
Несомненной особенностью регуляции транскрипции у эукариот является
подчиненность этих процессов регулирующим влияниям со стороны гормонов
организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые
стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами,
образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает
способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными
за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные
последовательности ДНК.
Специфичность регулирующего воздействия гормона на транскрипцию
обусловлена не только природой самого гормона, но и природой клетки-мишени,
синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет на транскрипцию
определенного для данной клетки набора генов. Примером участия гормонов в
регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на
развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-
рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает
возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение
определенного набора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, или
синдром Морриса .
Следующая особенность регуляции генной активности у эукариот связана с
образованием стойкого комплекса ДНК с белками — хроматина (см. разд. 3.5.2.2).
Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они,
несомненно, участвуют и в процессах регуляции генной активности (см. разд. 3.5.4).
Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является
предварительная декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где
временно утрачивается связь с Hi-гистонами и несколько ослабляется связь с
нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не
утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых
белков становится возможным и происходит дерепрессия гена.
Отличительной особенностью регуляции экспрессии генов у эукариот
является возможность ее осуществления не только на стадии транскрипции, но и на
других этапах растянутого во времени процесса реализации наследственной
информации. Регуляция на стадии транскрипции является наиболее экономичной,
но недостаточно быстро реагирующей на изменение ситуации. Так, возникшая в
клетке потребность в каком-либо белке не может быть быстро удовлетворена путем
включения транскрипции соответствующего гена. Синтезированный транскрипт
должен подвергнуться процессингу, затем зрелая мРНК должна выйти из ядра в
цитоплазму и, образуя комплекс с рибосомами, осуществить трансляцию
информации, синтезировав пептид, который, лишь пройдя посттрансляционное
изменение, формирует активный белок, необходимый клетке.
В том случае, когда клетке нужно прекратить синтез какого-то продукта,
после выключения транскрипции соответствующего гена в цитоплазму некоторое
время будут продолжать поступать созревающие молекулы мРНК, осуществляющие
там синтез пептидных цепей, пока они не деградируют под действием ферментов.
Таким образом, для эффективной регуляции экспрессии генов у эукариот должны
существовать механизмы, работающие не только на стадии транскрипции, но и на
других этапах этого процесса.
Связанная с экзон-интронной организацией генов необходимость процессичга,
в том числе сплайсинга, делает возможным регуляцию этих процессов в ядре. В
настоящее время обсуждается роль интронных участков ДНК в изменении схемы
сплайсинга при синтезе антител или цитохрома b. Это создает возможность, используя один и тот же первичный транскрипт, обеспечивать образование матриц для разных пептидов, вырезая из них разные последовательности или изменяя последовательности на 5'- и 3'-концах мРНК.
Очевидно, и транспорт зрелых мРНК из ядра в цитоплазму также
регулируется определенным образом, так как установлено, что лишь небольшая
часть РНК, транскрибируемой с генов, после сплайсинга покидает ядро.
Значительное количество ее деградирует. Возможно, это является результатом
процессинга, приводящего к появлению ≪неправильных≫ матриц.
Существуют механизмы, обеспечивающие
регуляцию процессов синтезапептидных цепей. Они менее экономичны, но отличаются быстротой реагирования
на изменения потребностей клетки в данном белке. Регуляция трансляции
осуществляется на стадии инициации путем воздействия на один из факторов
инициации, катализирующий присоединение к малой субъединице рибосомы тРНК,
несущей метионин (формилметионин).В результате при наличии в
цитоплазме мРНК трансляции на ней не происходит. Такая ситуация наблюдается,
например, при отсутствии в цитоплазме гема, что ведет к выключению трансляции
глобиновых цепей гемоглобина. Наконец, регуляция процесса реализации наследственной информации может осуществляться и на
стадии посттрансляционных изменений. Прекращение этих процессов обусловливает задержку в формировании активных молекул белка при наличии необходимых для этого пептидных цепей. Например, для формирования активной формы белкового гормона — инсулина — из проинсулина должны вырезаться две субъединицы. Торможение этих процессов уменьшает выход конечного активного продукта. Таким образом, рассмотренный выше пример регуляции экспрессии генов демонстрирует сложнейшие взаимосвязи, которые существуют между ними в геноме. Формирование любого признака поэтому нельзя рассматривать как результат действия одной пары аллельных генов в генотипе. В любом случае регуляция экспрессии ответственного за этот признак гена осуществляется при участии других генов.
-
Формы изменчивости, их значение в онтогенезе и эволюции. Модификационная изменчивость. Норма реакции, фено- и генокопии. Экспрессивность и пенентрантность. Развитие фенотипа как результат реализации генотипа в конкретных условиях среды. Комбинативная ашоаизменчивость и ее роль
Модификационная изменчивость
Модификационная изменчивость не вызывает изменений генотипа, она связана с реакцией данного, одного и того же генотипа на изменение внешней среды: в оптимальных условиях выявляется максимум возможностей, присущих данному генотипу. Так, продуктивность беспородных животных в условиях улучшенного содержания и ухода повышается (надои молока, нагул мяса). В этом случае все особи с одинаковым генотипом отвечают на внешние условия одинаково (Ч. Дарвин этот тип изменчивости назвал определенной изменчивостью). Однако другой признак — жирность молока — слабо подвержен изменениям условий среды, а масть животного — еще более устойчивый признак. Модификационная изменчивость обычно колеблется в определенных пределах.
Степень варьирования признака у организма, т. е. пределы модификационной изменчивости, называется нормой реакции.
Широкая норма реакции свойственна таким признакам, как удои молока, размеры листьев, окраска у некоторых бабочек; узкая норма реакции — жирности молока, яйценоскости у кур, интенсивности окраски венчиков у цветков и др.
Фенотип формируется в результате взаимодействий генотипа и факторов среды. Фенотипические признаки не передаются от родителей потомкам, наследуется лишь норма реакции, т. е. характер реагирования на изменение окружающих условий. У гетерозиготных организмов при изменении условий среды можно вызвать различные проявления данного признака.
Свойства модификаций: 1) ненаследуемость; 2) групповой характер изменений; 3) соотнесение изменений действию определенного фактора среды; 4) обусловленность пределов изменччивоти генотипом
Норма реакции — это предел изменчивости определенного признака, в зависимости от окружающих воздействий. Пример: у зайца шире норма реакции на колебания температуры окружающей среды, чем у коров. Корова не может себе позволить безнаказанно гулять зимой и прыгать по сугробам. Зайцы же не плохо себя чувствуют и зимой и летом. А у лошадей узкая норма реакции на изменения состава крови, и малейшее его нарушение может быть фатально для животного. Лошади вынуждены пить исключительно чистую воду и остерегаться даже укуса пчелы. А вот обычные домашние свиньи имеют тот же диапазон значительно шире, вот и способны пить и есть практически что угодно.
Фенокопии — изменения фенотипа под влиянием неблагоприятных факторов среды, по проявлению похожие на мутации. В медицине фенокопии — ненаследственные болезни, сходные с наследственными.одно, без вреда организму.
Генокопии (лат. genocopia) — это сходные фенотипы, сформировавшиеся под влиянием разных неаллельных генов. То есть это одинаковые изменения фенотипа, обусловленные аллелями разных генов, а также имеющие место в результате различных генных взаимодействий или нарушений различных этапов одного биохимического процесса с прекращением синтеза. Проявляется как эффект определенных мутаций, копирующих действие генов или их взаимодействие.