Переключение генов. Регуляция генной активности и фаг - Пташне М.
ISBN 5-03-000854-3
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим в качестве примера развитие особи из оплодотворенного яйца. Эта клетка, равно как и ее потомки, делится, и данный процесс повторяется миллионы раз; при эгом каждая новая клетка получает идентичный набор генов. Тем не менее одни клетки (например, те, из которых состоят волосы) выглядят и функционируют совершенно иначе, чем
9
Рис 1 Этектронная микрофотография частиц фага X и бактерии Ecoli зараженной этим фагом Диаметр головки фага около 600 А увеличение на верхнем снимке 100000 на нижнем 8000 Фотографии любезно предостав тены Роджером Хендриксом
другие (например, клетки кожи), поскольку в разных клетках включены разные гены. Самое главное, что гены передаются от родительских клеток к потомству без изменений (за редким исключением), но при этом они могут по-разному экспрессироваться в разных клетках.
Экспрессия гена регулируется не только в ходе развития, но также и в течение жизни дифференцированной клетки. Например, клетки кожи меняют свой цвет под действием солнечного света. Структура гена, отвечающего за пигментацию, не изменяется в ответ на освещение; просто внеклеточный сигнал, свет, включает этот ген. Еще один пример регуляции генов: раковые клетки делятся в таких условиях, когда деление соответствующих нормальных клеток не происходит. Одна из причин состоит в том, что некоторые гены в этих клетках включены (или выключены), тогда как они не должны (или, наоборот, должны) работать.
Биологи давно хотели узнать, как включаются и выключаются гены при нормальном развитии и как нарушается их регуляция при тех или иных заболеваниях. Нас интересуют молекулярные механизмы регуляции генов и объединение этих механизмов в систему, обеспечивающую упорядоченное включение и выключение групп генов. Мы хотим понять, какие стадии в этой системе регулируются внутриклеточными программами, а какие - внеклеточными сигналами.
Возвращаясь к исходному примеру-фагу X, мы можем теперь отдать должное прозорливости первопроходцев, которые распознали в росте этого вируса, и прежде всего в его способности идти по двум путям развития, удобный для исследования пример регуляции экспрессии генов. Бактерии и их фаги быстро размножаются, благодаря этому регуляцию их генов можно изучать с помощью генетических и биохимических подходов гораздо более эффективно, чем регуляцию генов в клетках высших организмов. Теперь рассмотрим вкратце, что представляют собой гены и как они работают.
Начнем со структуры гена, участка молекулы ДНК, который сам по себе инертен, но несет информацию, закодированную в виде последовательности оснований в двух цепях. Четыре основания, входящие в состав молекулы ДНК,-аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С)-присоединены к двум взаимно переплетающимся остовам, причем А одной цепи всегда спарен с Т другой, a G всегда спарен с С.
На рис. 2 приведены три схематических изображения отрезка молекулы ДНК. На верхней схеме последовательность из 24 пар оснований записана в две строки, так что основания в верхней строке входят в состав одной цепи ДНК, а нижней-в состав другой. Мы говорим, что последовательности оснований в двух цепях комплементарны, так как последователь-
11
tO пар оснований= I оборот спирали
Л~6_Т~Т6 т|_ С _ А_[с
Рис. 2. Различные способы схематического изображения ДНК. На верхней схеме особое внимание обращается на спаривание комплементарных оснований. На средней схеме представлена общая форма двойной спирали с ее большим и малым желобками. Полярность цепей указана на этих двух схемах стрелками. Желобки видны также на нижней схеме, где ДНК изображена в виде протяженного цилиндра со спиральными полосами на поверхности. На самом деле на один оборот спирали приходится не 10, а 10,5 пары оснований.
ность одной из них определяется последовательностью другой согласно правилам спаривания оснований.
На второй схеме участок длиной около 80 пар оснований изображен в виде двойной спирали. Обратите внимание, что один оборот спирали состоит примерно из 10 пар оснований, так что эти 80 пар образуют примерно 8 витков. По поверхности спирали тянутся два желобка разной ширины, большой и малый. На схеме видно, что остовы цепей идут по поверхности спирали, а основания обращены внутрь.
Наконец, на третьей схеме ДНК изображена в виде цилиндра, по поверхности которого вьются остовы двух цепей спирали. Именно в такой форме, когда структурные особенности спирали показаны в упрощенном виде, но с соблюдением пропорций, мы будем изображать молекулу ДНК в первой главе.
Наличие стрелок у каждой из цепей на рисунке указывает на еще одно важное свойство двойной спирали ДНК: цепи имеют определенную направленность или полярность и идут в противоположных направлениях. Как показывает рис. 3, полярность цепей обусловлена тем, что химические связи, образующие остов каждой цепи, асимметричны. Стрелки направлены от 5'-концов цепей к З'-концам (в подписи к рисунку объясняется такой выбор направления цепей).
12
Рис. 3. Молекула ДНК, изображенная более крупным планом. Остов каждой цепи ДНК состоит из чередующихся остатков сахара и фосфата. Направление цепей определяется тем, как сахарный остаток связан с фосфатами: один из них присоединяется с помощью 5'-связи, а другой —3'-. Каждый сахарный остаток связан также с основанием, которое спарено с комплементарным основанием другой цепи. GC-пары оснований стабилизируются тремя водородными связями, а АТ-пары-двумя. При наращивании цепи гуанин, соединенный с сахарофосфатной группировкой, присоединяется к одной из цепей, при этом две фосфатные группы отщепляются.
