У багатьох видів прокаріотів геном представлений єдиною молекулою ДНК, яка зосереджена у ядерній зоні клітини - нуклеоїді. Тому їм притаманний гаплоїдний набір генів і рецесивні алелі можуть проявлятися у фенотипі. Крім того, у цитоплазмі бактеріальних клітин є плазміди, або позахромосомні фактори спадковості. Це невеликі кільцеві молекули ДНК, до складу яких входять кілька генів.

Як здійснюється регуляція експресії генів?

Структурні гени не можуть бути постійно в активному стані, тому їхня діяльність то активується, то пригнічується. Але у прокаріотів, в яких високий рівень активності обміну речовин, більшість генів постійно активні: на них синтезуються молекули іРНК, або РНК інших типів. Це дає змогу прокаріотичній клітині швидко реагувати на зміни в навколишньому середовищі.

Процес, за якого спадкова інформація, закодована у вигляді послідовності нуклеотидів молекули ДНК, втілюється у функціональний продукт - молекулу білка або РНК певного типу, називається експресія (від лат. експресів - вираження) генів.

Експресія генів може регулюватись під час транскрипції, трансляції або остаточних змін у структурі білка чи РНК, завдяки чому ці молекули стають функціонально активні.

Клітини прокаріотів та еукаріотів здатні ефективно регулювати експресію генів. Так, за певних умов деякі гени залишаються неактивними, тоді як активність інших зростає або зменшується. Зміни умов середовища можуть спричинити активацію неактивних та пригнічення активних генів.

Механізми регуляції активності генів різноманітні. Насамперед вони можуть реалізуватися на рівні синтезу молекул РНК. Зокрема, така регуляція може здійснюватись або за допомогою білків, одні з яких пригнічують транскрипцію, тоді як інші необхідні для початку цього процесу. У першому випадку процеси транскрипції розпочинаються лише тоді, коли свої властивості втрачає білок-пригнічувач (депресор). В іншому - процеси транскрипції тривають, доки не втрачають своєї активності білки-активатори.

Білкові молекули, які здатні впливати на експресію генів, спочатку зв’язуються з промотором (від англ. премоуте — той, який просуває, сприяє) - послідовністю нуклеотидів, розташованою перед кодуючою частиною гена. Кожний ген або група генів може мати один або кілька промоторів, регуляція кожного з яких здійснюється окремо.

На малюнку 13.1 зображено ділянку бактеріальної ДНК. До її складу входять три структурні гени (позначені літерами А, Б, В). Вони кодують структуру ферментів, що беруть участь у процесах розщеплення молочного цукру - лактози (пригадайте, до якого класу вуглеводів належить ця сполука). Ця функціонально єдина група генів має один спільний промотор (Г), який оточують дві регуляторні ділянки нуклеотидів (Д, Е). У разі відсутності молочного цукру за участі цих двох ділянок нуклеотидів та особливого регуляторного білка утворюється петля ДНК (Ж). Структурні гени стають неактивними, оскільки з промотором, що опинився всередині петлі, не можуть зв’язатися ферменти, які забезпечують синтез іРНК. Після того як концентрація молочного цукру зростає, регуляторний білок втрачає зв’язок з ДНК, петля зникає і промотор активується - структурні гени знову набувають здатності забезпечувати синтез ферментів.

Мал. 13.1. Регуляція активності генів у кишкової палички

Запам’ятайте: важливу роль у регуляції експресії генів у прокаріотів відіграють взаємодії регулюючих білків з відповідними послідовностями нуклеотидів молекули ДНК.