Возникновение биологической организации - Кастлер Г.
Скачать (прямая ссылка):
ДЕЙСТВИЕ МИРА БЕЛКОВ НА МИР
НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Гены-регуляторы, гены-операторы и структурные гены. В мире белков механизм активности контролируется результатом этой активности; некоторое число чисто пассивных механизмов обеспечивает известную степень стабильности. Активность ферментов тоже подавляется продуктами катализируемых ими реакций; в некоторых случаях она подавляется продуктами нескольких последующих ступеней реакции. Такие типы контроля действуют быстро и весьма гибко, однако их эффективность ограничена, так как они не затрагивают белкового состава системы. Более медленные, но и более глубокие эффекты могут быть достигнуты, если образование белка регулируется в результате вторжения в мир нуклеиновых кислот (на уровне гена) путем нарушения синтеза информационной РНК, процесса ее освобождения и, наконец, путем блокирования действия информационной РНК.
Было установлено — главным образом на бактериях [12], а также в опытах с кукурузой [18], — что такие воздействия действительно имеют место и что они контролируются определенными специфическими генами. Эти гены называют генами-регуляторами. В отличие от структурных генов, контролирующих аминокислотный состав фермента, а значит, его специфические структуру и функцию, гены-регуляторы контролируют количество образующегося фермента. Известно, что они действуют при посредстве веществ, способных к диффузии. Известно также, что активность генов-регуляторов контролируется веществами, принадлежащими к классу метаболитов. Исходя из этого, предполагают, что линия связи, соединяющая внешний мир с миром нуклеиновых кислот, проходит от общего метаболического фонда к гену-регулятору, а от него к структурному гену; последний вызывает образование фермента, который в свою очередь влияет на химический состав метаболического фонда. Таким образом замыкается цепь обратной связи.
В звено связи, соединяющее цитоплазму со структурным геном, входят два процесса распознавания, требующие наличия растворимых веществ: специфическая
реакция между репрессором и индуктором или корепрес-сором и реакция между репрессором и структурным геном. Каждую из них можно использовать для заключений о природе репрессора. Рассмотрим сначала реакцию между репрессором и структурным геном. Имеются данные [12], говорящие, что в этой реакции структурный ген непосредственно не участвует и что она осуществляется через участок генома, называемый геном-оператором, смежный с одним или несколькими структурными генами, которые транскрибируются как одно целое. Возможно, что ген-оператор локально управляет инициированием синтеза РНК.
РНК как репрессор. Первичным продуктом гена-регулятора, как и всякого другого гена, является, вероятно, молекула РНК. Возможно, что она сама и есть реп-рессор. В пользу этого предположения свидетельствуют данные [23] о возможности образования репрессора р-галактозидазы в присутствии ингибиторов белкового синтеза — хлорамфеникола и 5-метилтриптофана. Такой
механизм требует соответствия между последовательностями оснований в гене-регуляторе и в регулируемых генах. Рассмотрим две возможности: 1) репрессором служит молекула РНК какой-то определенной величины (например, 20 или более нуклеотидов); 2) репрессором служит какой-то олигонуклеотид. В первом случае соединение с геном, подвергающимся репрессии, может произойти путем гибридизации, и необходимости в ферментативном катализе не возникает; требования специфичности легко удовлетворяются, поскольку мало шансов, что данная последовательность из 20 нуклеотидов встретится в цепочке из 5-107 нуклеотидных пар дважды (для того чтобы вероятность хотя бы двукратного повторения определенной последовательности в такой цепочке превысила 50%, следовало бы ограничиться 13 парами нуклеотидов). Отсюда вытекает необходимость либо свертывания, либо дупликации в процессе эволюции цепочки нуклеиновых кислот, так как в рамках данной гипотезы вероятность случайного повторения достаточно большого числа пар регулятор — оператор значительно меньше 10-50.
Предположим теперь, что репрессором служит какой-то олигонуклеотид. Наименьшее число нуклеотидов, требующееся для создания достаточного разнообразия, зависит от числа репрессируемых генов. Оценка показывает, что это число у Е. coli не меньше 100 и, вероятно, не больше 1000. Но из четырех нуклеотидов можно образовать 256 различных последовательностей, из пяти— 1024 и из шести — 4096. Отсюда следует, что в принципе короткая последовательность, т. е. малая часть молекулы РНК, достаточна для обеспечения специфических реакций со всеми встречающимися операторами. Этот механизм не накладывает никаких ограничений на генезис цепочки ДНК: можно ожидать, что в последовательности из 5-107 нуклеотидов каждый заданный тетрануклеотид встретится 2 * 105 раз, а каждый гексануклеотид — 104 раз. Вместе с тем такой механизм накладывает строгие ограничения на дифференциацию между операторами и другими участками генома, поскольку в противном случае олигонуклеотид образовывал бы почти исключительно нефункциональные гибриды; кроме того, для
