Биология. В 3-х томах. Т. 3

В этой главе мы описали механизмы, с помощью которых клетки передают генетический материал из поколения в поколение. Структура и функции генетического материала в настоящее время изучены достаточно подробно, однако в генетике остается еще ряд областей, где вопросов много, а ответов мало. За последние 30 лет генетические исследования сильно продвинулись вперед, и на многие фундаментальные вопросы ответы уже получены. Самые главные достижения — это, несомненно, открытие структуры ДНК и расшифровка генетического кода. Эти два открытия вдохновили других ученых и побудили их попытаться глубже проникнуть в тайны молекулярной генетики. Большая часть неразрешенных проблем, стоящих перед молекулярными генетиками, связана с механизмами, которые регулируют активность генов, участвующих в процессах метаболизма, развития и дифференцировки.

Классической генетикой установлено, что все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, т. е. содержат одинаковое число хромосом, несущих одни и те же аллели. И тем не менее клетки многоклеточного организма очень разнообразны по структуре и функциям. Даже в одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может варьировать в зависимости от обстоятельств и потребностей. Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, были впервые получены при изучении регуляции синтеза ферментов у Е. coli.

В 1961 г. Жакоб и Моно провели ряд экспериментов, желая понять природу индукции синтеза ферментов у Е. coli. Полагают, что в клетках Е. coli синтезируется около 800 ферментов. Синтез некоторых из них происходит непрерывно, и их называют конститутивными ферментами; другие же образуются только в присутствии надлежащего индуктора, который может и не быть субстратом данного фермента. Такие ферменты, примером которых служит

β-галактозидаза, называют индуцибельными ферментами.

Е. coli быстро растет на культуральной среде, содержащей глюкозу. При перенесении клеток на среду, содержащую вместо глюкозы лактозу, рост начинается не сразу, а после короткой задержки, но затем идет с такой же скоростью, как и на среде с глюкозой. Проведенные исследования показали, что для роста на лактозной среде необходимо наличие двух веществ, которые Е. coli обычно не синтезирует: Р-галактозидазы, гидролизующей лактозу до глюкозы и галактозы, и лактозопермеазы

, делающей клетку способной быстро поглощать лактозу из среды. Это служит примером того, как изменение в условиях среды — замена глюкозы лактозой — индуцирует синтез определенного фермента. Другие эксперименты с Е. coli показали, что высокое содержание в среде аминокислоты триптофана подавляет выработку триптофансинтетазы — фермента, необходимого для синтеза триптофана. Синтез β-галактозидазы служит примером индукции, а подавление синтеза триптофансинтетазы — примером репрессии фермента. На основании этих наблюдений Жакоб и Моно предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию, — механизм "включения" и "выключения" генов.

22.7.1. Гипотеза Жакоба-Моно

Генетические инструкции, определяющие аминокислотную последовательность упомянутых выше белков, заключены в структурных генах, причем инструкции для β-галактозидазы и лактозопермеазы тесно сцеплены в одной хромосоме. Активность этих генов регулируется еще одним геном, который называют геном-регулятором и который препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген — регулятор может находиться на некотором расстоянии от структурных генов. Доказательства его существования получены при изучении мутантных клеток Е. coli, лишенных этого гена и поэтому вырабатывающих β-галактозидазу непрерывно. Ген — регулятор содержит генетическую информацию для синтеза репрессора, который препятствует активности структурных генов. Репрессор действует на структурные гены не прямо, а опосредованно, оказывая влияние на участок, примыкающий к структурным генам и называемый оператором

. Оператор и управляемые им структурные гены в совокупности называют опероном (рис. 22.29).

Репрессор представляет собой особый аллостерический белок, который либо связывается с оператором, подавляя его активность ("выключает" его), либо не связывается с ним, позволяя ему проявлять активность (оставляет его включенным). Когда оператор включен, на структурных генах осуществляется транскрипция и происходит образование мРНК, которую рибосомы и тРНК транслируют в полипептиды; а когда оператор выключен, мРНК не образуется и кодируемые ею полипептиды не синтезируются (рис. 22.29).

Рис. 22.29. Основные структуры и процессы, участвующие в регуляции белкового синтеза согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий