Название: Теорія еволюції (системний розвиток життя на Землі) - Огінова І. О.

Жанр: Біологія

Рейтинг:

Просмотров: 1612

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 |



2.6.5. Еволюція систем регуляції експресії генів

 

Становлення в еволюції будьякої регуляторної системи тісним чи ном пов'язане із становленням ієрархічної системи організації. Для ро зуміння розвитку таких процесів треба спочатку згадати, яким саме чи ном вони здійснюються в різних за еволюційним статусом організмах.

Експресія генів у прокаріотів регулюється, головним чином, на рів ні транскрипції. Це довели французькі мікробіологи Ф. Жакоб і Ж. Моно, які у 1961 р. запропонували модель для лактозного оперону кишкової палички. Оперон (транскриптон) – ділянка генетичного матеріалу, транскрипція якої здійснюється на одну молекулу іРНК під контролем білкарепресора. Оперон складається із декількох тісно зчеплених струк турних генів, оператора і промотора.

У прокаріотів експресія контролюється геномоператором і геномрегулятором, які називають керуючими генами. Існує декілька типів та кої регуляції, наприклад, негативна. В цьому випадку продукт гена регулятора (білокрепресор) приєднується до оператора і утруднює прикріплення РНКполімерази до промотора. РНКполімераза – фер мент, який пізнає специфічну послідовність ДНК завдяки наявності пе тель, шпильок і приєднується до промотора за умови, що оператор не блокований репресором. Звичайний стан оператора – блокований, оскіль ки репресор синтезується безперервно. Поява у системі субстрату, що зв'язує репресор, включає оперон.

Можлива й зворотна ситуація: надлишковий продукт, з'єднуючись із репресором, переводить його в активний стан і тим самим блокує синтез іРНК.

Після приєднання ферменту до промотора на ділянці довжиною у

12 – 15 пар нуклеотидів утворюються більш значні контакти РНК полімерази з одним із ланцюгів ДНК. Важливу роль відіграє приєднан ня метильних груп до аденіну, що робить неможливою його взаємодію з тиміном комплементарного ланцюжка. Як наслідок ДНК розплітається і починається синтез іРНК.

Окрім такої негативної регуляції існує ще і позитивна. Вона має дві основні форми:

1.   Репресором служить один із ферментів, які виробляються даним опероном, але лише у поєднанні з кінцевим продуктом метаболіч ного процесу. Наприклад, у кишкової палички такими речовинами мо жуть бути ізолейцин, лейцин, гістидин, валін.

2.   Регуляція цілого комплексу оперонів здійснюється за допомогою цАМФ. Комплекс цАМФ з рецепторним білком для цАМФ є уні версальним активатором багатьох бактеріальних оперонів. Концентра ція цАМФ регулюється аденілатциклазою, яка міститься у мембранах.

Регуляція синтезу білка у прокаріотів може здійснюватися і на рівні трансляції, головним чином на стадії ініціації, але іноді й на стадії елонгації за рахунок уповільнення руху рибосоми вздовж іРНК внаслідок наяв ності мінорних ізоакцепторних тРНК або різної стабільності вторинної і третинної структури різних іРНК. Тотальна регуляція біосинтезу білка у прокаріотів здійснюється різними токсинами.

Дуже важливим еволюційним наслідком існування такої різноманіт ності керуючих систем навіть у найпримітивніших живих істот є набуття невеликими молекулами здатності взаємодіяти з регуляторними білка ми, змінюючи стан усієї клітинної системи. Для багатоклітинних організмів подібна регуляція матиме найбільше значення на перших етапах розвитку зиготи. В цей час модифікація регуляторних систем може сут тєво змінити онтогенез і створити можливість формування різних шля хів еволюції. Реалізація такого напрямку викликала появу досить розгалуженої системи регуляції експресії генів еукаріотів. Відповідна схема була розроблена трохи пізніше й передбачає існування чутливих до зов нішніх впливів ланок ДНК, що звичайно представлені помірно повто рюваними послідовностями.

За рахунок адекватних взаємодій між різними підсистемами склад ного еукаріотичного організму регуляція експресії його генів може здій снюватися на кількох рівнях:

1.   Рецепторний рівень можна розглянути на прикладі механізму дії стероїдних гормонів. У цитоплазмі відповідних клітин – мішеней є спеці альний рецепторний білок, який утворює з ними комплекс. Він може пе реміщуватися в ядро і зв'язуватися з хроматином, змінюючи його функціо нування. Важливу роль у цих процесах відіграють кислі білки.

2.   цАМФ у вищих еукаріотів, окрім загальної активації генів за допомогою зв'язування зі специфічною ланкою ДНК поблизу промото ра, слугує ще й ефектором – посередником дії багатьох гормонів. Біль шість з них у вищих організмів не може проникати всередину клітини. Такі гормони взаємодіють із відповідними рецепторами на мембрані, що активує аденілатциклазу. Вона синтезує цАМФ, який, у свою чергу, регулює    транскрипцію    за    рахунок    фосфорилювання    гістонів. Це спричинює зменшення їх зв'язку з ДНК і активацію відповідних ге нів. Аналогічний ефект має і цГМФ.

3.   Різні хімічні модулятори, такі як, наприклад, іони натрію, каль цію, магнію, деяких низькомолекулярних органічних речовин можуть суттєво змінювати експресію генів. Так, зростання концентрації натрію викликає швидку деконденсацію хроматину і відщеплення гістонів. Фосфорилювання частини негістонових білків веде до зміцнення їх зв'язку з ДНК і блокування транскрипції. Аналогічну функцію виконує метилування цитозинових основ, яке супроводжується інактивацією промоторів еукаріо тичних генів. Приєднання ацетильної та фосфорної груп до гістонів,

навпаки, активує цей процес. Крім того, еухроматин (активний) міс тить чутливі до ДНК ази I (нуклеаза) сайти довжиною близько 100 000 п. н. Вони, у свою чергу, мають короткі (100 – 300 п. н.) гіперчутливі сайти. Їх локалізація може змінюватися протягом онтогенезу під впливом гормонів.

4.   Гормональний рівень пов'язаний із здатністю деяких гормонів регулювати експресію генів. Наприклад, цукровий діабет може бути пов'язаним не з нестачею інсуліну, а з надлишком гормона аміліну, котрий блокує синтез інсуліну. Інші гормони (прогестерон і естроген) можуть стимулювати трансляцію.

5.   Регуляція на рівні ініціації, елонгації і термінації транскрипції

протікає приблизно так само, як і у прокаріотів.

6.   Процесинг премРНК також має декілька рівнів регуляції.

7.   Стадії ініціації, елонгації та термінації трансляції також мають свої регуляторні механізми.

8.   Стабільність (обертання) мРНК може регулювати кількість пептидів, які синтезуються на цій матриці.

9.   Процесинг пептидів, який відбувається в цитоплазмі, може суттєво змінити первинні продукти експресії генів. Наприклад:

–          розчинна та зв'язана з мембраною форми імуноглобулінів відрізняються додатковою послідовністю АК. Обидва білки кодуються одним геном, але процесинг пептидів у цитоплазмі йде порізному;

–          кальцитонін у щитовидній залозі і гіпоталамусі кодується одним геном, але у гіпоталамусі із мРНК вирізається велика ланка нуклеотидів і одночасно додається інша послідовність;

–          аналогічним чином виглядає і синтез гормонів та нейромедіаторів гіпофіза.

–   пептиди ГМ енкефаліни та ендорфіни синтезуються з одного попередника. Внаслідок процесингу з нього утворюються різні пептиди

залежно від типу клітин і стадії розвитку організму;

–   у більшості хребетних синтез інсуліну контролюється одним ге ном, але у риб, пацюків, мишей та птахів існує два гени. Один з них має довгий інтрон у кодувальній частині, а другий втратив його. Саме він кодує синтез препроінсуліну. З нього потім вирізається послідовність у двадцять чотири амінокислоти, а відповідна структура вже називаєть ся проінсуліном. Шість молекул проінсуліну формують комплекс із цинком. Зрілий інсулін утворюється внаслідок того, що із середини кожної із шести послідовностей додатково вирізається невеликий Спептид, а відповідні частини скріплюються дисульфідними зв'язками.

Унаслідок подібних регуляторних процесів гени можуть використовуватися в різних сполученнях, які зумовлюють характерні ткани носпецифічні комплекси активних генів. Вони є досить стабільними, що забезпечується наявністю петель зворотних зв'язків, у яких продукт одного активованого структурного гена може підтримувати активність інших генів. Ті, в свою чергу, регулюють діяльність ще якихось генів і т. д. Утворюється комплексна система регуляції експресії генів, яка й під тримує специфічність функціонування тих чи інших тканин. Для акти вації такої складної системи вистачає простих індукційних зовнішніх сигналів (гормони, медіатори тощо). Але для формування нових ознак

таких регуляторних процесів виявляється замало. Тут уже необхідна інтеграція на рівні організму за участю набагато складніших ієрархіч них систем.

Завдяки особливостям становлення таких систем в еволюції швид кість морфологічних перебудов варіює від дуже повільної до лавиноподі бної. Це зумовлюється, головним чином, тим, що різні частини геному накопичують еволюційні зміни з різною швидкістю. Еволюція структур них генів може бути мало пов'язаною з формуванням морфологічних відмінностей. Наприклад, у людини та шимпанзе, за різними оцінками, спільні 91 – 97 % геному, але зовнішній вигляд цих істот дуже різний. Це свідчить про те, що еволюційні перетворення морфологічних ознак суттєво залежать саме від регуляторних генів. Відповідні зміни таких керуючих елементів дозволяють швидко отримати оптимальну струк туру з мінімальними наслідками для всього онтогенезу особини.

Додаткову регуляторну функцію здійснюють і гени, що визначають диференціацію зародкових листків або положення тієї чи іншої структури. Наприклад, на стадії бластодерми від них залежить розташу вання органів по передньозадній та спинночеревній осях зародка то що. Потім, залежно від положення клітини, починають функціонувати інші групи генів, які можуть переключати морфологічні підпрограми. Відповідно до цього розрізняють різні типи онтогенетичних мутацій:

–   дизруптивні, які можуть перервати розвиток тому, що білковий продукт відповідного гена є вузько специфічним для певної стадії онто генезу. Внаслідок цього такий ген реально бере участь у регуляції того чи іншого морфогенетичного процесу. Крім того, якщо продукт гена, в якому відбулася мутація, є необхідним для одного з метаболічних шля хів, це також може спричинити припинення розвитку;

–          гомеозисні мутації можуть переключати розвиток з одного специфічного шляху на інший. Така можливість підтримується існуванням онтогенетичних буферних механізмів, які полегшують протікання від повідних процесів і мінімізують наслідки певних модифікацій регуля торних систем.

Експресія структурних і регуляторних генів здійснюється в межах ієрархічних комплексів, які узгоджують своє функціонування з генами,

що контролюють морфогенез. Існування таких координованих, але різ них систем інтеграції легко викликає їх розмежування в часі. Це, у свою чергу, сприяє формуванню нових підпрограм і програм розвитку організ

мів протягом еволюції. Вдосконалення систем регуляції, дешеве з енерге тичної точки зору, може забезпечити дорослим особинам суттєві перева ги в боротьбі за існування.

 


Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 |

Оцените книгу: 1 2 3 4 5

Добавление комментария: