Kāda ir gēnu izpausme? Jēdziena definīcija

Kas ir gēnu izteiksme? Kāda ir tā loma? Kā darbojas gēnu ekspresijas mehānisms? Kādas perspektīvas viņam ir priekšā? Kā notiek gēnu ekspresijas regulēšana eikariotu un prokariotu gadījumā? Šeit ir īss jautājumu saraksts, kas tiks izskatīti šajā rakstā.

Vispārīga informācija

Gēnu izteiksme ir nodošanas procesa nosaukumsģenētiskā informācija no DNS caur RNS līdz olbaltumvielām un polipeptīdiem. Padarēsim nelielu atkāpi, lai saprastu. Kas ir gēni? Tie ir lineārie DNS polimēri, kas ir savienoti garajā ķēdē. Ar hromatīna proteīna palīdzību tie veido hromosomas. Ja mēs runājam par vīrieti, tad mums ir četrdesmit seši no viņiem. Tajos ir aptuveni 50 000-10 000 gēnu un 3,1 miljards nukleotīdu pāru. Kā jūs šeit orientējat? Vietņu, ar kurām tiek veikts darbs, garums ir norādīts tūkstošos un miljonos nukleotīdu. Vienā hromosomā ir aptuveni 2000-5000 gēnu. Ar nedaudz atšķirīgu izteiksmi - aptuveni 130 miljoni pāru nukleotīdu. Bet tas ir tikai aptuvens aprēķins, kas lielākajā vai mazākā mērā attiecas uz nozīmīgām sekvencēm. Ja jūs strādājat īsos apgabalos, tad šī attiecība tiks pārkāpta. Arī to var ietekmēt ķermeņa dzimums, uz kura materiālu tiek veikts darbs.

Par gēniem

Viņiem ir vislielākais garums. Piemēram, globīns ir 1500 nukleotīdu. Un distrofīns - jau jau 2 miljoni! To regulējošos cis elementus var noņemt no gēna uz ievērojamu attālumu. Tātad globīnā tie atrodas attiecīgi 50 un 30 tūkstoši nukleotīdu 5 "un 3" virzienā. Šādas organizācijas esamība mums padara ļoti grūti noteikt robežas starp tām. Arī gēnos ir ievērojams skaits ļoti atkārtotu sekvenču, kuru funkcionālie pienākumi mums vēl nav skaidri.

Lai saprastu to struktūru, to var iedomāties46 hromosomas ir atsevišķi apjomi, kuros informācija atrodas. Tie ir sagrupēti 23 pāriem. Viens no diviem elementiem tiek mantots no vecākiem. "Tekstu", kas ir "apjomā", atkārtoti "pārlasīja" tūkstošiem paaudzes, kas tajā ieviesa daudzas kļūdas un izmaiņas (sauktas par mutācijām). Un viņi visi manto pēcnācēji. Tagad ir pietiekami daudz teorētiskās informācijas, lai sāktu saprast, kas ir gēnu izpausme. Šī ir šī raksta galvenā tēma.

Operona teorija

Tas ir balstīts uz ģenētisko pētījumuβ-galaktozīda indukcija, kas tika iesaistīta laktozes hidrolītiskā sadalīšanā. To formulēja Jacques Monod un Francois Jacob. Šī teorija izskaidro proteīnu sintezēšanas kontroles mehānismu prokariotos. Transkripcijai ir svarīga nozīme. Teorija nosaka, ka olbaltumvielu gēni, kas funkcionāli ir cieši saistīti ar vielmaiņas procesiem, bieži tiek sagrupēti kopā. Tie izveido struktūrvienības, ko sauc par operoniem. Viņu nozīme ir faktam, ka visi tajā ievadītie gēni tiek izteikti koncertos. Citiem vārdiem sakot, tos visus var transkribēt, vai arī neviens no tiem nevar tikt "lasīts". Šādos gadījumos operons tiek uzskatīts par aktīvo vai pasīvo. Gēnu ekspresijas līmenis var mainīties tikai tad, ja ir atsevišķu elementu kopums.

Proteīna sintēzes indukcija

Iedomāsimies, ka mums ir būris,kas kā izaugsmes avotu izmanto oglekļa glikozi. Ja tas tiek mainīts laktozes disaharīdam, pēc dažām minūtēm būs iespējams noteikt, ka tas ir pielāgots mainītajiem apstākļiem. Pastāv šāds skaidrojums: šūna var darboties gan no izaugsmes avotiem, bet viena no tām ir piemērotāka. Tāpēc ir vieglāk apstrādājama ķīmiska savienojuma "redze". Bet, ja tas pazūd un laktoze, šķiet, to aizstāj, tad tiek aktivizēta atbildīgā RNS polimerāze un tā sāk ietekmēt nepieciešamās olbaltumvielas veidošanos. Šī ir vairāk teorija, un tagad parunāsim par to, kā patiesībā tiek izteikti gēni. Tas ir ļoti aizraujoši.

Hromatīna organizācija

Materiāls šajā punktā irdaudzslāņu organisma diferencētas šūnas modelis. Kodos hromatīns ir novietots tā, lai transkripcijai būtu pieejama tikai neliela daļa genoma (aptuveni 1%). Bet, neskatoties uz to, pateicoties šūnu daudzveidībai un tajās notiekošo procesu sarežģītībai, mēs varam tos ietekmēt. Šobrīd cilvēkiem ir pieejama šāda ietekme uz hromatīna organizāciju:

1. Mainiet strukturālo gēnu skaitu.
2. Efektīvi pārrakstiet dažādas koda daļas.
3. Pārveidot gēnus hromosomās.
4. Veiciet izmaiņas un sintezējiet polipeptīdu ķēdes.

Bet tiek sasniegta mērķa gēna efektīva izpausmekā stingras tehnoloģijas atbilstības dēļ. Nav svarīgi, kāds ir darbs, pat ja eksperiments notiek nelielā vīrusā. Galvenais ir ievērot sagatavoto iejaukšanās plānu.

Mēs mainām gēnu skaitu

Kā to var realizēt? Iedomājieties, ka mēs esam ieinteresēti ietekmēt gēnu izpausmi. Kā prototipu mēs izmantojām eukarītes materiālu. Tam ir augsta plastika, tāpēc mēs varam veikt šādas izmaiņas:

1. Palieliniet gēnu skaitu. Lieto gadījumos, kad ir nepieciešams, lai organisms palielinātu konkrēta produkta sintēzi. Šādā paplašinātajā stāvoklī ir daudzi noderīgi cilvēka genoma elementi (piemēram, rRNS, tRNS, histoni utt.). Šādas vietnes hromosomā var veidot tandēmu un pat pārsniegt to, sākot no 100 tūkstošiem līdz 1 miljonam nukleotīdu pāru. Apskatīsim praktisku pielietojumu. Mums ir interesants metallotionīna gēns. Tās olbaltumvielu produkts var saistīties ar tādiem smagajiem metāliem kā cinks, kadmijs, dzīvsudrabs un varš, un tādējādi aizsargā ķermeni no tā saindēšanās. Tās aktivizēšana var būt noderīga cilvēkiem, kas strādā nedrošos apstākļos. Ja cilvēkam ir paaugstināta iepriekš minēto smago metālu koncentrācija, tad gēna aktivēšana notiek pakāpeniski automātiski.
2. Samaziniet gēnu skaitu. Šī ir samērā reti regulēšanas metode. Bet šeit jūs varat sniegt piemērus. Viens no slavenākajiem ir sarkanās asins šūnas. Kad tie nobriest, kodols sabrūk un pārvadātājs zaudē savu genomu. Līdzīgi kā nobriešanas ceļā un limfocītos, kā arī dažādu klonu plazmas šūnās, kas sintezē izdalītās imūnglobulīnu formas.

Gēnu pārgrupēšanās

Svarīgi ir spēja pārvietoties unMateriāla sintēze, kurā viņš spēs transkripciju un replikāciju. Šo procesu sauc par ģenētisko rekombināciju. Ar kādiem mehānismiem tas ir iespējams? Apskatīsim atbildi uz šo jautājumu ar antivielu piemēru. Tie ir izveidoti ar B-limfocītu, kas pieder kādu konkrētu klons. Un gadījumā, ja kontaktā ar ķermeni antigēna uz kuru antiviela ir komplementāra ar aktīvās vietas stiprinājuma notiek ar sekojošu šūnu izplatīšanās. Kāpēc cilvēka ķermenis spēj radīt tādas dažādas olbaltumvielas? Šo iespēju nodrošina rekombinācijas un somatiskās mutācijas. Bet tas var būt saistīts ar mākslīgām izmaiņām DNS struktūrā.

Izmaiņas RNS

Gēnu izpausme ir process, kurānozīmīgu lomu spēlē ribonukleīnskābe. Ja mēs uzskatām, mRNS, jāatzīmē, ka pēc transkripcijas galvenā struktūra var mainīties. Nukleotīdu secība gēnos ir vienāda. Bet dažādos mRNS audos var parādīties aizvietojumi, ievietojumi vai vienkārši pārī. Kā piemēru var minēt apoproteīnu B, ko ražo tievās zarnas un aknu šūnās. Kāda ir atšķirība starp rediģēšanu? Zarnas izveidotajai versijai ir 2152 aminoskābes. Kaut arī aknu variants lepojas ar 4563 atlikumiem! Neskatoties uz šo atšķirību, mums ir apoproteīns B.

Izmaiņas mRNS stabilitātē

Mēs gandrīz sasniedzam punktu, kur mēs to varamiesaistīties olbaltumvielās un polipeptīdos. Bet apskatīsim to, kā mRNA stabilitāti var noteikt. Šim nolūkam sākotnēji tai jāatstāj kodols un jāiziet citoplazma. Tas ir saistīts ar esošajām porām. Liels daudzums mRNS tiks nošķelts ar nukleāzu. Tie, kas izvairās no šīs liktenības, organizē kompleksus ar olbaltumvielām. Eikarioto mRNA mūžs ir ļoti atšķirīgs (līdz dažām dienām). Ja mRNS ir stabilizējies, tad ar fiksētu ātrumu būs iespējams novērot, ka jaunizveidotā olbaltumvielu daudzums palielinās. Gēnu izteiksmes līmenis nemainīsies, bet, vēl svarīgāk, ķermenis darbosies efektīvāk. Izmantojot molekulārās bioloģijas metodes, gala produkts var būt kodēts, un tam būs ievērojams mūža ilgums. Tā, piemēram, ir iespējams izveidot β-globīnu, kas darbojas apmēram desmit stundas (viņam tas ir ļoti daudz).

Procesa ātrums

Šeit un kopumā sistēmagēnu izteiksme. Tagad ir tikai papildināt pieejamās zināšanas ar informāciju par to, cik ātri notiek procesi, kā arī cik ilgi olbaltumvielas dzīvo. Teiksim tikai sakot, mēs kontrolēsim gēnu izpausmi. Jāatzīmē, ka ietekmi uz ātrumu neuzskata par galveno proteīna produktu daudzveidības un daudzuma regulēšanas veidu. Kaut gan šīs mērķa sasniegšanas izmaiņas joprojām tiek izmantotas. Piemērs ir olbaltumvielu sintēze retikulocītos. Hemopoētiskās šūnas diferenciācijas līmenī nav kodola (un līdz ar to arī DNS). Gēnu ekspresijas regulēšanas līmeņi parasti tiek veidoti atkarībā no tā, vai kāds savienojums spēj aktīvi ietekmēt notiekošos procesus.

Pastāvēšanas ilgums

Kad proteīns tiek sintezēts, laiks, laikākuru viņš dzīvos, ir atkarīgs no proteāzes. Nevar precīzi nosaukt laiku, jo šajā gadījumā diapazons ir no vairākām stundām līdz dažiem gadiem. Olbaltumvielu sadalīšanās ātrums dažādās vietās atšķiras atkarībā no šūnas, kurā tā atrodas. Fermenti, kas var katalizēt procesus, parasti tiek ātri "lietoti". Tāpēc to veido arī liela daļa ķermeņa. Arī olbaltumvielu dzīvību var ietekmēt ķermeņa fizioloģiskais stāvoklis. Arī tad, ja ir izveidots defektīvs produkts, to ātri novērsīs aizsardzības sistēma. Tādējādi mēs varam droši teikt, ka vienīgā lieta, ko mēs varam novērtēt, ir standarta dzīves ilgums, kas iegūts laboratorijā.

Secinājums

Šis virziens ir ļoti daudzsološs. Piemēram, ārzemju gēnu izteiksme var palīdzēt izārstēt iedzimtas slimības, kā arī novērst negatīvās mutācijas. Neskatoties uz plašām zināšanām šajā jautājumā, mēs varam droši teikt, ka cilvēce ir tikai pašā ceļa sākumā. Ģenētiskā inženierija nesen ir iemācījusies izolēt nepieciešamās nukleotīdu vietas. Pirms 20 gadiem viens no lielākajiem šīs zinātnes notikumiem notika - tika izveidota Dolly aita. Tagad pētījumi tiek veikti ar cilvēka embrijiem. Ar pārliecību mēs varam teikt, ka mēs esam jau tuvumā, kur nav slimību un fizioloģisku ciešanu. Taču, pirms mēs nokļūt tur, labklājībai būs jāstrādā ļoti labi.