Регуляция биосинтеза белка. Механизмы генетической изменчивости презентация

Регуляция биосинтеза белка. Механизмы генетической изменчивости Кафедра биологической химии ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России доцент Н.Т. Карягина, 2018 г.

Регуляция биосинтеза белка В 1961 г. французские исследователи Франсуа Жакоб и Жак Моно предложили теорию Lac-оперона, которая объясняла механизм контроля синтеза белков у прокариотов

Слева направо - Жакоб Франсуа, Жак Моно, Андре Львов лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1965 г. «за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов». 

Координированный одним оператором одиночный ген или группа генов образуют оперон. Lac -оперон - участок ДНК, в котором закодированы ферменты, участвующие в усвоении лактозы. О (ген-оператор) – ген, управляющий работой структурных генов. R (ген-регулятор) – ген, кодирующий синтез специального регуляторного белка – репрессора.

Репрессор блокирует ген-оператор → оперон не работает → транскрипция мРНК не происходит → синтез белка не идет Способность связываться с оператором зависит от конформации репрессора, которая может быть активной или неактивной

Лактозный оперон регулируется по механизму индукции Вещества, которые инактивируют репрессор, называются индукторами Вещества, переводящие его из неактивного состояния в активное – корепрессорами

Лактоза – индуктор, присоединяясь к белку-репрессору, переводит его в неактивную форму, не способную связываться с О. РНК-полимераза связывается с Р и транскрибирует структурные гены: S1, S2, S3, несущие информацию о ферментах метаболизма лактозы → транскрипция мРНК → синтез ферментов

3 фермента, участвующие в метаболизме лактозы: β-галактозидаза β-галактозидпермеаза β-галактозидтрансацетилаза

После распада лактозы белок-репрессор переходит снова в активную форму, способную связываться с О. Т.к. участки О и Р перекрываются, то присоединение репрессора к О препятствует связыванию РНК-полимеразы с Р, → транскрипция мРНК не идет → синтез ферментов прекращается

ДНК всех клеток организма идентична; >200 различных типов клеток Гены «домашнего хозяйства» ~ 20% Адаптивно регулируемые гены Регуляция транскрипции осуществляется при помощи специальных регуляторных элементов –локусов - участков генома – энхансеров и сайленсеров

Энхансеры – участки ДНК размером 10-20 пар оснований, присоединение к которым регуляторных белков активирует РНК-полимеразу и увеличивает скорость транскрипции Сайленсеры – таких же размеров участки ДНК, присоединение к которым регуляторных белков ингибирует РНК-полимеразу и замедляет транскрипцию

Регуляция транскрипции Промоторы генов эукариот находятся под контролем специфических регуляторных участков на молекуле ДНК: ТАТА-, ЦААТ-, ГЦ-, энхансеров, сайленсеров – последовательностей

К регуляторным участкам присоединяются комплексы белков с различными лигандами: цАМФ, стероидными гормонами, метаболитами, ионами металлов и т.д. Через белки-посредники или коактиваторы передают сигнал на основные траскрипционные факторы и РНК-полимеразу

С энхансерами взаимодействуют индукторы С сайленсорами - репрессоры Это сложные белки, имеющие несколько доменов: «узнает» локус; «узнает» регуляторную молекулу (фактор роста, цАМФ, стероид-рецепторный комплекс и др.); «узнает» факторы транскрипции в ТАТА - последовательности

У эукариотов ведущая роль в экспрессии генов принадлежит стероидным, тиреоидным гормонам, факторам роста, инсулину, вторичным мессенджерам и т.д.

Геном человека содержит Геном человека содержит 3,1 млрд пар нуклеотидов Только ~10% из них несут информацию В ходе выполнения проекта «Геном человека» полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20—25 тыс. активных генов. Только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК. 

Биохимические основы изменчивости и эволюции Движущей силой эволюции являются мутации – наследуемые изменения первичной структуры ДНК, т.е. закрепленный результат изменений в геноме (не исправленные ферментами репарации). Мутации могут затрагивать различные участки ДНК

Механизмы возникновения Результат ошибок синтеза ДНК при репликации При репарации повреждения ДНК под влиянием внешних факторов В результате рекомбинаций – обмена участками ДНК м/у гомологичными хромосомами при половом размножении

Виды мутаций Геномные – изменение всего генома; изменение числа хромосом (н-р, полиплоидия, трисомия (болезнь Дауна) и др.) Хромосомные – перестройка хромосом. Участки хромосом могут изменить свое положение, потеряться или удвоиться (н-р, мышечная дистрофия Дюшенна – делеция Х-хр.) Генные – изменения затрагивают один кодон или небольшой отрезок гена.

Генные или точечные мутации Замены, при которых одно АО замещается на другое. Вставки, обеспечивающие внедрение в ДНК одного или нескольких дополнительных НТ. 3. Делеции (выпадения) одного или нескольких НТ, при которых происходит укорочение ДНК.

Мутации по типу замены Без изменения смысла кодона (нейтральные или молчащие) – мутации, при к-рых замена 1 НТ в кодоне не приводит к изменению смысла кодона. Синтезируется белок без изменений. ЦУУ→ЦУЦ →ЦУГ→ЦУА лей лей лей лей Вырожденность генетического кода

«Миссенс-мутации» - мутации с изменением смысла кодона, при которых замена одного АО приводит к замене АК в мутантном белке (изменение первичной структуры и свойств белка). Н-р: серповидно-клеточная анемия HbA: ГАА HbS: ГУА ГАГ Глу β6 ГУГ Вал (β6 Глу → Вал)

«Нонсенс мутации» - мутации, приводящие к образованию одного из терминирующих кодонов: УАА, УАГ, УГА УГГ→УАГ три → «стоп-сигнал» Обрыв цепи → синтез фрагмента полипептидной цепи Проявление нонсенс-мутаций зависит от их внутригенной локализации.

Мутации по типу вставки Без сдвига «рамки считывания» -происходит вставка лишних 3 НТ или с числом НТ, кратным 3 → удлинение белка на 1 или несколько АК. Со сдвигом «рамки считывания» - происходит вставка 1 или нескольких НТ не кратных 3 →

→ синтезируется полипептид со «случайной» последовательно-стью АК, т.к. изменяется смысл всех кодонов, следующих за местом мутации

Мутации по типу делеция Без сдвига «рамки считывания» - происходит выпадение 3 НТ или с числом НТ, кратным 3 → происходит укорочение белка на 1 или несколько АК. Со сдвигом «рамки считывания» - происходит выпадение 1 или нескольких НТ не кратных 3 →

→ синтезируется полипептид со «случайной» послед-ю АК, т.к. изменяется смысл всех кодонов, следующих за местом мутации → функционально неактивные белки

Частота мутаций 10-5-10-6 на 1 гамету за каждое поколение Может варьировать для разных генов от 10-4 (для генов с высокой скоростью мутаций) до 10-11 (для наиболее устойчивых)

Мутагенные факторы 1 - физические Лучистая энергия (УФО, рентген., -излучение, позитроны, нейтроны) УФО → образование ковалентных связей между остатками тимина в ДНК → появление тиминовых димеров → ДНК, не способные к репликации.

Сущ-ет система репарации - группа ферментов, вырезающих тиминовые димеры, к-рые кодируются 9 генами. При повреждении любого из этих генов - нарушение репарации ДНК после УФО → заболевание пигментная ксеродерма

Фоновое излучение (космическое) - под его воздействием происходит отщепление АО. За сутки человек теряет ~ 50·103 АО

2 - химические АО в ДНК могут подвергаться различным воздействиям формамида (HCONH2), свободных радикалов, альдегидов, полициклических углеводородов, табачного дыма, тяжелых металлов, выхлопных газов и т.д.

3 - биологические Под воздействием вирусов (н-р, герпеса)