Введение в биологию (IXd)
Тема IXd
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (продолжение)
Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы наконец-то сталкиваемся вплотную с понятием "ген", которое надо хоть как-то усвоить, прежде чем идти дальше.
Итак, что такое ген? Слово это слышал каждый, но вот дать строгое определение на самом деле не так уж и легко. Довольно часто встречается мнение, что ген - это участок ДНК, кодирующий структуру одного белка (концепция "один ген - один белок"). Для большинства генов это верно. Но не для всех. Например, любой белок, у которого есть четвертичная структура, кодируется несколькими генами. В самом деле, такой белок по определению состоит из нескольких полипептидных цепочек, которые синтезируются отдельно, а объединяются только после трансляции.
Еще большую проблему для "белкового" определения гена составляют РНК. Все клеточные РНК транскрибируются с генов, но довольно многие из них не транслируются ни в какие белки. Например, это относится к рибосомным и транспортным РНК. Между тем те участки ДНК, на которых закодирована последовательность рРНК и тРНК - это тоже гены, нет никаких оснований их таковыми не считать.
Обойти эти трудности можно, если решить, что ген - это единица транскрипции, то есть участок ДНК, кодирующий одну РНК (информационную, транспортную или рибосомную). Правда, и к этому определению при желании тоже можно придраться: например, в некоторых геномах есть гены, которые транскрибируются обычно вместе, хотя кодируют разные белки. В общем, ген - это типичный пример общего понятия, которое в разных случаях применяется немного по-разному.
Уговоримся, что если к слову "ген" не сделано никаких оговорок, то речь идет скорее всего о гене, который кодирует один белок, состоящий из одной полипептидной цепочки. О рядовом гене, так сказать. В этом случае определение "один ген - один белок" будет правильным.
Число генов у каждого отдельного живого организма обычно измеряется тысячами или первыми десятками тысяч. Например, у многоклеточных животных генов чаще всего 15-20 тысяч. У бактерий - всего несколько тысяч или, в редких случаях, даже несколько сот (правда, обладатели таких маленьких геномов могут жить только внутри чужих клеток, от которых и получают большую часть нужных веществ - своих ферментов им для этого не хватает). А у некоторых цветковых растений число генов переваливает за 40 тысяч, и вот это, видимо, уже близко к пределу. Сотен тысяч и миллионов генов ни у какого земного живого организма нет.
Всевозможные процессы "включения" и "выключения" генов, ослабления и усиления их активности и тому подобного в сумме называются регуляцией экспрессии. Способы регуляции экспрессии невероятно многообразны. Прежде всего, экспрессию гена можно регулировать как на уровне транскрипции (запуск или прекращения синтеза РНК), так и на уровне трансляции (ускорение или задержка синтеза белка на готовой иРНК). Регуляция на уровне транскрипции - более базовая, на уровне трансляции - более тонкая, и ее мы пока не будем касаться.
Но и способы регуляции транскрипции бывают очень разными. Неплохое представление о том, как тут все может происходить, дает вот эта относительно простая картинка:
Разберемся в ней по порядку. Начнем с того, что у нас есть ген, кодирующий некий белок. Белок этот в данном случае называется альбумином и принимает некоторое (сейчас неважно, какое) участие в обмене веществ. Рассмотрим многоклеточный организм, одним клеткам которого этот белок нужен, а другим - нет.
Итак, прежде всего мы видим на картинке сам ген. Он состоит из кодирующей части, где записана собственно первичная структура белка, и нескольких регуляторных участков, из которых прежде всего надо назвать промотор (core promoter). Промотор - это та самая последовательность, которую обязательно должна распознать РНК-полимераза, чтобы транскрипция гена вообще произошла. Перед промотором находятся дополнительные регуляторные участки (control elements), которые нужны специально для связывания белков, влиющих на активность гена.
Теперь посмотрим на присутствующие здесь белки. Главный из них - это РНК-полимераза (RNA polymerase), которая, собственно, осуществляет транскрипцию. Ей в этом помогает еще несколько белков - общие факторы транскрипции (general transcription factors), которые нужны для самого процесса синтеза РНК. Но, кроме того, есть еще и регуляторные факторы транскрипции (regulatory transcription factors). В синтезе РНК они непосредственно не участвуют. Их работа - связываться с ДНК, или облегчая, или затрудняя посадку РНК-полимеразы на соответствующий ген. ДНК-связывающий белок, усиливающий таким образом транскрипцию, называется активатором, а ДНК-связывающий белок, блокирующий транскрипцию - репрессором. Белок-репрессор просто не дает РНК-полимеразе сесть в нужную точку ДНК, а белок-активатор, наоборот, меняет конформацию ДНК так, чтобы РНК-полимеразе было удобнее с ней связаться. Несколько упрощая, можно сказать, что белок-активатор включает ген, а белок-репрессор выключает его.
Слева на картинке - ситуация в клетке печени, которой альбумин очень нужен. Мы видим, что два регуляторных белка - "красный" и "оранжевый" - распознали соответствующие последовательности в начале гена и запустили транскрипцию, подняв ее до высокого уровня. Это белки-активаторы. Справа на картинке - нервная клетка, которой альбумин почти не нужен. "Красного" и "оранжевого" белков-активаторов здесь нет, и транскрипция гена альбумина не идет или почти не идет. Белки-репрессоры в данном случае нигде не задействованы, хотя в реальности они участвуют в регуляции экспрессии генов не реже, чем активаторы. Ну это понятно, на одной картинке невозможно уместить сразу все.
А вот над чем стоит задуматься, так это над тем, что регуляторные белки (в данном случае, например, "красный" и оранжевый") - тоже продукты каких-то генов, и эти гены тоже должны быть или запущены, или заторможены. Гены, кодирующие регуляторные белки, очень легко взаимодействуют через свои продукты, включая и выключая друг друга и образуя в результате целые цепочки и сети. Неудивительно, что генные сети (gene regulatory networks) - популярнейший объект изучения современной биологии.
Еще один способ регуляции экспрессии - прямая химическая модификация ДНК. Самый частый вид такой модификации - метилирование, когда на определенном отрезке ДНК каждый цитозин получает дополнительную метильную группу и превращается в 5-метилцитозин. Такие участки ДНК транскрибируются слабее, “замолкают”. Метилирование ДНК обратимо и может быть снято соответствующими ферментами, если выключенные этим способом гены потребуется опять включить.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ (продолжение)
Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы наконец-то сталкиваемся вплотную с понятием "ген", которое надо хоть как-то усвоить, прежде чем идти дальше.
Итак, что такое ген? Слово это слышал каждый, но вот дать строгое определение на самом деле не так уж и легко. Довольно часто встречается мнение, что ген - это участок ДНК, кодирующий структуру одного белка (концепция "один ген - один белок"). Для большинства генов это верно. Но не для всех. Например, любой белок, у которого есть четвертичная структура, кодируется несколькими генами. В самом деле, такой белок по определению состоит из нескольких полипептидных цепочек, которые синтезируются отдельно, а объединяются только после трансляции.
Еще большую проблему для "белкового" определения гена составляют РНК. Все клеточные РНК транскрибируются с генов, но довольно многие из них не транслируются ни в какие белки. Например, это относится к рибосомным и транспортным РНК. Между тем те участки ДНК, на которых закодирована последовательность рРНК и тРНК - это тоже гены, нет никаких оснований их таковыми не считать.
Обойти эти трудности можно, если решить, что ген - это единица транскрипции, то есть участок ДНК, кодирующий одну РНК (информационную, транспортную или рибосомную). Правда, и к этому определению при желании тоже можно придраться: например, в некоторых геномах есть гены, которые транскрибируются обычно вместе, хотя кодируют разные белки. В общем, ген - это типичный пример общего понятия, которое в разных случаях применяется немного по-разному.
Уговоримся, что если к слову "ген" не сделано никаких оговорок, то речь идет скорее всего о гене, который кодирует один белок, состоящий из одной полипептидной цепочки. О рядовом гене, так сказать. В этом случае определение "один ген - один белок" будет правильным.
Число генов у каждого отдельного живого организма обычно измеряется тысячами или первыми десятками тысяч. Например, у многоклеточных животных генов чаще всего 15-20 тысяч. У бактерий - всего несколько тысяч или, в редких случаях, даже несколько сот (правда, обладатели таких маленьких геномов могут жить только внутри чужих клеток, от которых и получают большую часть нужных веществ - своих ферментов им для этого не хватает). А у некоторых цветковых растений число генов переваливает за 40 тысяч, и вот это, видимо, уже близко к пределу. Сотен тысяч и миллионов генов ни у какого земного живого организма нет.
Всевозможные процессы "включения" и "выключения" генов, ослабления и усиления их активности и тому подобного в сумме называются регуляцией экспрессии. Способы регуляции экспрессии невероятно многообразны. Прежде всего, экспрессию гена можно регулировать как на уровне транскрипции (запуск или прекращения синтеза РНК), так и на уровне трансляции (ускорение или задержка синтеза белка на готовой иРНК). Регуляция на уровне транскрипции - более базовая, на уровне трансляции - более тонкая, и ее мы пока не будем касаться.
Но и способы регуляции транскрипции бывают очень разными. Неплохое представление о том, как тут все может происходить, дает вот эта относительно простая картинка:
Разберемся в ней по порядку. Начнем с того, что у нас есть ген, кодирующий некий белок. Белок этот в данном случае называется альбумином и принимает некоторое (сейчас неважно, какое) участие в обмене веществ. Рассмотрим многоклеточный организм, одним клеткам которого этот белок нужен, а другим - нет.
Итак, прежде всего мы видим на картинке сам ген. Он состоит из кодирующей части, где записана собственно первичная структура белка, и нескольких регуляторных участков, из которых прежде всего надо назвать промотор (core promoter). Промотор - это та самая последовательность, которую обязательно должна распознать РНК-полимераза, чтобы транскрипция гена вообще произошла. Перед промотором находятся дополнительные регуляторные участки (control elements), которые нужны специально для связывания белков, влиющих на активность гена.
Теперь посмотрим на присутствующие здесь белки. Главный из них - это РНК-полимераза (RNA polymerase), которая, собственно, осуществляет транскрипцию. Ей в этом помогает еще несколько белков - общие факторы транскрипции (general transcription factors), которые нужны для самого процесса синтеза РНК. Но, кроме того, есть еще и регуляторные факторы транскрипции (regulatory transcription factors). В синтезе РНК они непосредственно не участвуют. Их работа - связываться с ДНК, или облегчая, или затрудняя посадку РНК-полимеразы на соответствующий ген. ДНК-связывающий белок, усиливающий таким образом транскрипцию, называется активатором, а ДНК-связывающий белок, блокирующий транскрипцию - репрессором. Белок-репрессор просто не дает РНК-полимеразе сесть в нужную точку ДНК, а белок-активатор, наоборот, меняет конформацию ДНК так, чтобы РНК-полимеразе было удобнее с ней связаться. Несколько упрощая, можно сказать, что белок-активатор включает ген, а белок-репрессор выключает его.
Слева на картинке - ситуация в клетке печени, которой альбумин очень нужен. Мы видим, что два регуляторных белка - "красный" и "оранжевый" - распознали соответствующие последовательности в начале гена и запустили транскрипцию, подняв ее до высокого уровня. Это белки-активаторы. Справа на картинке - нервная клетка, которой альбумин почти не нужен. "Красного" и "оранжевого" белков-активаторов здесь нет, и транскрипция гена альбумина не идет или почти не идет. Белки-репрессоры в данном случае нигде не задействованы, хотя в реальности они участвуют в регуляции экспрессии генов не реже, чем активаторы. Ну это понятно, на одной картинке невозможно уместить сразу все.
А вот над чем стоит задуматься, так это над тем, что регуляторные белки (в данном случае, например, "красный" и оранжевый") - тоже продукты каких-то генов, и эти гены тоже должны быть или запущены, или заторможены. Гены, кодирующие регуляторные белки, очень легко взаимодействуют через свои продукты, включая и выключая друг друга и образуя в результате целые цепочки и сети. Неудивительно, что генные сети (gene regulatory networks) - популярнейший объект изучения современной биологии.
Еще один способ регуляции экспрессии - прямая химическая модификация ДНК. Самый частый вид такой модификации - метилирование, когда на определенном отрезке ДНК каждый цитозин получает дополнительную метильную группу и превращается в 5-метилцитозин. Такие участки ДНК транскрибируются слабее, “замолкают”. Метилирование ДНК обратимо и может быть снято соответствующими ферментами, если выключенные этим способом гены потребуется опять включить.