Регуляция работы генов. Один ген - один белок

Наши тела содержат тысячи разных белков, выполняющих разные задачи. К белкам относятся и пищеварительные ферменты, и гормоны, и антитела, защищающие нас от болезней. Информация, необходимая для сборки конкретного белка закодирована в ДНК. Участок ДНК, несущий код конкретного белка, называется геном. Совокупность всех генов человека (это более 100 000 генов) называется геном. Каждый ген кодирует уникальный белок, по принципу один ген – один белок. Ген, который кодирует пищеварительный фермент в составе слюны, отличается от гена, кодирующего антитело или гена, кодирующего пигмент глаз.

Организмы регулируют экспрессию генов и в конечном итоге количество и виды белков, содержащихся в клетке. Работа генов все время меняется по множеству причин: при развитии и специализации клетки, для приспособления к условиям окружающей среды. Регуляция работы генов не только позволяет адаптироваться к меняющим условиям, но и препятствует выработке ненужных в данный момент белков, чтобы не тратить на это ресурсы. Лишние затраты ставят клетку в невыгодное положение относительно других. Гены, вовлеченные в транспорт и переработку (катаболизм) пищи, являются хорошими примерами генов со сложной регуляцией. Например, сахар арабиноза может быть использован E. coli в качестве источника энергии и углерода. Бактерии производят три белка (фермента), необходимых для переработки арабинозы. Гены, кодирующие эти белки, не экспрессируются в отсутствие арабинозы, но начинают работать, когда арабиноза появляется в окружающей среде. Как так получается?

Регуляция экспрессии белков обычно протекает на стадии транскрипции, когда на матрице ДНК синтезируется РНК. Регуляция происходит в специальном участке ДНК, называемом промотором, где РНК-полимераза связывается с ДНК и начинает транскрипцию. У бактерий связанные по функции гены часто расположены рядом друг с другом и транскрибируются с одного промотора. Такие группы генов, управляемые одним промотором, называются оперонами.

Три гена (araB, araC, araD) кодирующие три фермента, вовлеченных в распад арабинозы, собраны у E. coli вместе в так называемый арабинозный оперон. Транскрипция этих трех генов начинается с одного промотора, (P_BAD). Для начала транскрипции необходимо присутствие матрицы ДНК, РНК полимеразы, белка AraC и арабинозы. AraC связывается с ДНК в месте посадки РНК-полимеразы перед началом оперона. Когда арабиноза появляется в окружающей среде, бактерии траспортируют ее внутрь. Попав в клетку, арабиноза непосредственно взаимодействует с AraC, связанным с ДНК. Это взаимодействие заставляет AraC изменить свою конформацию (форму) так, что он помогает РНК-полимеразе связаться с ДНК и начинается транскрипция трех генов, A, B и D. Три фермента производятся, выполняют свою работу, и, предположим, через какое-то время арабиноза заканчивается. Тогда AraC изменяет конформацию обратно и транскрипция выключается.

Плазмида pGLO включает в себя некоторые участки арабинозного оперона. В ней присутствуют промотор P_BAD и ген araC, а гены, кодирующие белки, отвечающие за разложение арабинозы (A, B и D), заменены на ген зеленого флуоресцентного белка (GFP). Таким образом, в присутствии арабинозы, AraC способствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и идет транскрипция GFP. По мере накопления белка, клетки начинают флуоресцировать ярко-зеленым. Если арабинозы в среде нет, AraC не облегчает связывание РНК-полимеразы и ген GFP не транскрибируется. Когда GFP не производится, клетки имеют дикий фенотип - они белые и не флуоресцируют под ультрафиолетом.

Все вышесказанное является примером центральной догмы молекулярной биологии в действии: ДНК->РНК->БЕЛОК->ПРИЗНАК

Дата добавления: 2015-08-10