Структурні й регуляторні гени

За функціями гени живих організмів можна поділити на дві великі групи: структурні й регуляторні. Структурні гени містять інформацію про будову молекул білків та РНК, які входять до складу органел або цитоплазми клітин. Багато які із цих білків і РНК беруть участь в утворенні структур клітини, що й дало назву цьому типу генів. До цієї групи входять також гени ферментів та речовин, які клітина виділяє у навколишнє середовище (наприклад, слиз або речовини нектару).

Регуляторні гени теж містять інформацію про структуру молекул білків або РНК. Але їхнє завдання — регулювати роботу структурних генів. Вони можуть її прискорити чи вповільнити. Або й зовсім припинити синтез продукту гена, який клітині на певний час не потрібен. Ці гени можуть діяти на різних етапах синтезу продуктів генів. Вони здатні впливати як на синтез або дозрівання РНК, так і на синтез білка.

Навіщо потрібна регуляція роботи генів?

У геномі еукаріотів міститься кілька тисяч генів, але для життєдіяльності й виконання своїх функцій кожній окремій клітині потрібно набагато менше генів. Так, у ссавців нервовій клітині зорового нерва не треба виробляти ферменти слини або статеві гормони. А клітині м’язів не потрібний синтез гемоглобіну. Тому більша частина генів у клітинах є неактивною, «вимкненою».

Але й ті гени, які працюють не завжди, повинні працювати однаково інтенсивно. Якщо є потреба у виробленні травних ферментів, то гени, які їх виробляють, працюють активно. А коли потреба минає, інтенсивність їхньої роботи слід зменшувати. Таким чином клітини економлять ресурси організму.

Мал. 30.1. Експресія генів у еукаріотів

Характерною особливістю еукаріотів є те, що кількість генів у них менша (часто набагато менша), ніж кількість білків, які синтезуються в їхніх клітинах. Це стало можливим завдяки тому, що з одного гена організм може отримувати кілька функціональних продуктів (молекул білків).

Саме для вирішення перелічених проблем і потрібні механізми регуляції реалізації спадкової інформації. І еукаріоти здійснюють таку регуляцію надзвичайно ефективно.

Експресія генів

Унаслідок дії регуляторних механізмів змінюється експресія генів. Експресія генів — це процес, під час якого спадкова інформація певного гена використовується для синтезу його продукту (молекули білка або РНК) (мал. 30.1). Якщо експресія збільшується — продукту синтезується більше, а якщо зменшується — продукту синтезується менше.

Експресія може змінюватися як напряму (шляхом дії регуляторних генів) так і опосередковано (як побічний ефект дії іншого гена, наприклад, за умови недостатнього синтезу речовини, яка є субстратом для роботи ферменту).

Регуляція активності генів

У клітинах регуляція реалізації генетичної інформації може відбуватися за допомогою кількох механізмів. Вони діють на різних рівнях реалізації спадкової інформації:

• на рівні хроматину,

• під час траскрипції,

• під час дозрівання та транспорту РНК,

• під час трансляції,

• після завершення трансляції (пост-трансляційна модифікація).

Регуляція на рівні хроматину

Цей тип регуляції може здійснюватися двома способами — структурним і хімічним (мал. 30.2). Структурна регуляція здійснюється за рахунок пакування певних ділянок ДНК за допомогою білків таким чином, щоб із них не можна було зчитати спадкову інформацію. Так, на хромосомах розрізняють гетерохроматинові (щільно упаковані) та еухроматинові (не щільно упаковані) ділянки. На еухроматинових ділянках транскрипція можлива, а на гетерохроматинових — ні.

Мал. 30.2. Регуляція роботи генів на рівні хроматину

Хімічна регуляція відбувається за рахунок модифікації деяких нуклеотидів в ланцюжках ДНК. Якщо до них приєднується метальний радикал (СН3), то зчитування інформації з такої ділянки ДНК стає неможливим.

Ще одним способом хімічної регуляції є ацетилювання білків-гістонів, навколо яких намотуються нитки ДНК в хромосомах. Наявність у них додаткової ацетильної групи також робить неможливим зчитування інформації з ділянки.

Регуляція на рівні транскрипції

Під час транскрипції регуляція роботи гена відбувається внаслідок взаємодії продуктів регуляторних генів (зазвичай білків) з певними структурами генів: промотором або регуляторними ділянками. Це дозволяє змінювати швидкість роботи генів або «вмикати» чи «вимикати» їх.

Регуляція під час дозрівання РНК та трансляції

Як ви знаєте, в еукаріотів після транскрипції відбувається процесинг (дозрівання РНК). Він відбувається в ядрі клітини, коли видаляються інтрони, а екзони комбінуються і з’єднуються один з одним. Під час процесингу відбуваються процеси сплайсингу (вирізання інтронів) та додавання до початку і кінця молекули РНК певних структур.

Мал. 30.3. Варіанти утворення різних білків з однієї молекули внаслідок роботи білка-шаперона

Для більшості генів є можливим альтернативний сплайсинг — отримання кількох можливих варіантів РНК із синтезованої в ході транскрипції молекули.

Регуляція під час трансляції відбувається переважно на етапі ініціації.

В цей момент різні фактори можуть приєднуватися до мРНК і блокувати синтез білкової молекули або, навпаки, розпочинати його.

Пост-транскрипційна регуляція

Зазвичай цей процес відбувається у вигляді пост-транскрипційної модифікації. Пост-трансляційна модифікація — це зміна білкової молекули після її утворення в процесі трансляції. Її здійснюють спеціальні білки. Наприклад, білки-шаперони формують просторову будову білка, модифікуючи його вторинну й третинну структури (мал. 30.3). Інші білки можуть додавати до молекули складних білків небілкову частину (наприклад, гем у молекулі гемоглобіну).

Гени еукаріотів, які необхідні для підтримання основних життєвих функцій і які активно працюють практично в усіх клітинах організму, отримали спеціальну назву — «гени домашнього господарства». Це гени, які синтезують продукти, потрібні для відтворення та реалізації спадкової інформації, здійснення основних метаболічних процесів та життєвого циклу клітини.

Отже, тепер ви знаєте

1. Що таке структурні й регуляторні гени? 2. Навіщо потрібно регулювати роботу генів? 3. На яких рівнях відбувається регуляція роботи генів еукаріотів? 4*. Навіщо в еукаріотів стільки рівнів регуляції роботи генів?

Запитання та завдання

5. Укажіть захворювання, які виникають внаслідок порушення роботи білків-шаперонів. 6*. Дія багатьох антибіотиків побудована на їхньому впливі на регуляцію роботи генів у бактерій. Чому під час вживання людиною вони не впливають на регуляцію роботи її генів?