Što je ekspresija gena? Definicija koncepta

Što je izraz? geni? Koja je njena uloga? Kako funkcionira mehanizam ekspresije gena? Kakve nas izglede ima pred nama? Kako se javlja regulacija ekspresije gena u eukariotima i prokariotima? Evo kratkog popisa problema koji će se razmotriti u ovom članku.

Opće informacije

Genska ekspresija je naziv procesa prijenosa genetske informacije iz DNA preko RNA na proteine ​​i polipeptide. Napravimo malu digresiju za razumijevanje. Što su geni? To su linearni DNA polimeri koji su povezani u dugom lancu. Uz pomoć protein kromatina formiraju kromosome. Ako govorimo o čovjeku, imamo četrdeset šestoricu. Oni sadrže oko 50 000-10 000 gena i 3,1 milijardu pari nukleotida. Kako se ovdje orijentirate? Duljina mjesta na kojima se obavlja rad označena je u tisućama i milijunima nukleotida. Jedan kromosom sadrži oko 2000-5000 gena. U nešto drugačijem izrazu - oko 130 milijuna parova nukleotida. Ali to je samo vrlo gruba procjena, što je manje-više točno za značajne sekvence. Ako radite u kratkim područjima, tada će se omjer povrijediti. Također, to može utjecati i spol tijela, preko materijala na kojem se radi.

O genima

Imaju najrazličitije duljine. Na primjer, globin je 1500 nukleotida. I distrofin - već 2 milijuna! Njihovi regulacijski cis-elementi mogu se ukloniti iz gena za znatnu udaljenost. Dakle, u globinu se nalaze na udaljenosti od 50 i 30 tisuća nukleotida u smjeru 5 `i 3`. Postojanje takve organizacije čini nam vrlo teško odrediti granice između njih. Također, geni sadrže značajan broj vrlo repetitivnih sekvenci, čije funkcionalne dužnosti još nisu jasne.

Da bismo razumjeli njihovu strukturu, možemo zamisliti da su 46 kromosoma zasebni volumeni u kojima se nalaze informacije. Oni su grupirani u 23 parova. Jedan od dva elementa nasljeđen je od roditelja. „Tekst”, koji je u „količine” u više navrata „ponovno čitati” tisuće generacija, koja donosi puno pogrešaka i promjena (nazivaju mutacije). I svi su naslijedili potomci. Sada postoji dovoljno teorijskih informacija za početak razumijevanja što je izraz gena. Ovo je glavna tema ovog članka.

Operon teorija

Temelji se na istraživanjima genetske indukcije beta-galaktozidaze, koja je bila uključena u hidrolitičku degradaciju laktoze. Formirao ga je Jacques Monod i Francois Jacob. Ova teorija objašnjava mehanizam kontrole nad sintezom proteina u prokariotima. Transkripcija također igra važnu ulogu. Teorija navodi da su geni proteina koji su funkcionalno čvrsto vezani u metaboličkim procesima često grupirani zajedno. Oni stvaraju strukturne jedinice zvan operoni. Njihova važnost leži u činjenici da su svi geni koji ulaze u njega izraženi na koncertu. Drugim riječima, svi se mogu prepisati, ili se nitko od njih ne može "čitati". U takvim slučajevima operon se smatra aktivnim ili pasivnim. Razina ekspresije gena može se promijeniti samo ako postoji skup pojedinačnih elemenata.

Indukcija sinteze proteina

Zamislimo da imamo stanicu koja koristi ugljik glukozu kao svoj izvor rasta. Ako se promijeni za laktoza disaharid, tada će za nekoliko minuta biti moguće popraviti da se prilagodila promijenjenim uvjetima. Postoji takvo objašnjenje: stanica može raditi oba izvora rasta, ali jedan od njih je prikladniji. Stoga, postoji "vid" za lakše obrađenu kemijsku smjesu. Ali ako nestaje i čini se da ga zamjenjuje laktoza, tada se aktivira odgovorna RNA polimeraza i počinje utjecati na proizvodnju potrebnog proteina. Ovo je više teorije, a sada ćemo razgovarati o tome kako se geni zapravo izražavaju. Ovo je vrlo uzbudljivo.

Organizacija kromatina

Materijal iz ovog stavka je model diferencirane stanice višestaničnog organizma. Jezgre kromatina u nizu tako da je samo mali prijepis genoma dostupna (oko 1%). No, unatoč tome, zbog raznolikosti stanica i složenosti procesa koji idu u njih možemo ih utjecati. Trenutno je za takvu osobu dostupan takav utjecaj na organizaciju kromatina:

1. Promijenite broj strukturnih gena.
2. Učinkovito prepišite različite dijelove koda.
3. Obnovi geni u kromosomima.
4. Napravite izmjene i sintetizirajte polipeptidne lance.

Ali učinkovita ekspresija ciljanog gena postiže se kao rezultat stroge sukladnosti s tehnologijom. Nije važno što je rad, čak i ako eksperiment ide na mali virus. Glavna stvar je pridržavati se pripremljenog plana intervencije.

Promijenili smo broj gena

Kako se to može ostvariti? Zamislite da smo zainteresirani za utjecaj na ekspresiju gena. Kao prototip smo uzeli eukariot materijal. Ima visoku plastičnost, pa možemo napraviti sljedeće promjene:

1. Povećajte broj gena. Koristi se u slučajevima kada je potrebno da tijelo povećava sintezu određenog proizvoda. U takvom pojačanom stanju, postoje mnogi korisni elementi ljudskog genoma (na primjer, rRNA, tRNA, histoni itd.). Takva mjesta mogu imati tandem raspored unutar kromosoma i čak ići preko njih u iznosu od 100 tisuća do 1 milijun pari nukleotida. Pogledajmo praktičnu primjenu. Metalotioneinski gen od nas je interesantan. Njegov proteinski proizvod može vezati teške metale kao što su cink, kadmij, živa i bakar, te prema tome zaštititi tijelo od trovanja. Njegova aktivacija može biti korisna ljudima koji rade u nesigurnim uvjetima. Ako osoba ima povećanu koncentraciju prethodno spomenutih teških metala, tada se aktivacija gena automatski postupno događa.
2. Smanjite broj gena. Ovo je relativno rijetka metoda regulacije. Ali ovdje možete dati primjere. Jedan od najpoznatijih je crvena krvna zrnca. Kada sazrijevaju, jezgra propada i nosač gubi svoj genom. Slično tijekom prolaska sazrijevanja i limfocita, kao i stanice plazme raznih klonova, koje sintetiziraju izlučene oblike imunoglobulina.

Genska preraspodjela

Važno je sposobnost premještanja i kombiniranja materijala u kojem će biti sposobna za transkripciju i replikaciju. Ovaj se proces naziva genetskom rekombinacijom. Kojim mehanizmima je moguće? Razmotrimo odgovor na ovo pitanje s primjerom protutijela. Oni su stvorili B-limfociti koji pripadaju nekom određenom klonu. A u slučaju dolaska u tijelo antigena, kojemu postoji protutijelo s komplementarnim aktivnim središtem, njihova privrženost će se odvijati uz naknadnu proliferaciju stanica. Zašto ljudsko tijelo ima sposobnost stvaranja takvih raznih proteina? Ova mogućnost osigurava rekombinacija i somatske mutacije. Ali to može biti zbog umjetnih promjena u strukturi DNA.

Promjena u RNA

Ekspresija gena je proces u kojem značajna uloga igra ribonukleinska kiselina. Ako uzmemo u obzir mRNA, valja napomenuti da se nakon transkripcije primarna struktura može promijeniti. Sekvenca nukleotida u genima je ista. Ali u različitim tkivima mRNA, zamjene, umetanja ili jednostavno parovi mogu se pojaviti. Kao primjer prirode, može se navesti apoprotein B, proizveden u stanicama tankog crijeva i jetre. Koja je razlika u uređivanju? Verzija koju stvara crijeva ima 2152 aminokiseline. Dok varijacija jetre ima sadržaj od 4563 ostatka! I usprkos ovoj razlikama, imamo Apoprotein B.

Promjena stabilnosti mRNA

Gotovo smo došli do točke gdje bismo se mogli baviti proteinima i polipeptidima. Ali pogledajmo ovo prije, kako stabilnost mRNA može biti fiksirana. Za to, u početku, mora napustiti jezgru i izlaziti iz citoplazme. To je zbog postojećih pore. Velika količina mRNA će biti cijepana nukleusom. Oni koji izbjegavaju ovu sudbinu, organiziraju komplekse s proteinima. Životni vijek eukariotske mRNA varira široko (do nekoliko dana). Ako se mRNA stabilizira, tada se pri fiksnoj brzini može primijetiti da se količina novoformiranog proteinskog produkta povećava. Razina ekspresije gena neće se promijeniti, ali, još važnije, tijelo će djelovati učinkovitije. Uz pomoć molekularne biologije, krajnji proizvod može biti kodiran, koji će imati značajan životni vijek. Na primjer, moguće je izraditi beta - globin, koji funkcionira oko deset sati (za njega je jako puno).

Brzina procesa

To se općenito smatra sustavom ekspresije gena. Sada ostaje samo nadopuniti dostupno znanje s informacijama o brzini procesa i koliko dugo proteini žive. Recimo samo da ćemo kontrolirati izraz gena. Treba napomenuti da se učinak na brzinu ne smatra glavnim načinom reguliranja raznolikosti i količine proteinskog proizvoda. Iako se njezina promjena za postizanje tog cilja još uvijek koristi. Primjer je sinteza proteinskog produkta u retikulocitima. Hemopoetske stanice na razini diferencijacije su bez jezgre (i stoga DNA). Razine regulacije ekspresije gena općenito su konstruirane ovisno o sposobnosti nekog spoja da aktivno utječe na postupke koji se provode.

Trajanje postojanja

Kada se protein sintetizira, vrijeme tijekom kojeg će živjeti ovisi o proteazama. Nemoguće je točno naznačiti vrijeme, jer je raspon u ovom slučaju od nekoliko sati do nekoliko godina. Brzina razgradnje proteina varira široko ovisno o ćeliji u kojoj se nalazi. Enzimi koji mogu katalizirati procese imaju tendenciju da se brzo "koriste". Zbog toga su i tijela stvorena u velikim količinama. Također, život proteina može biti pod utjecajem fiziološkog stanja tijela. Također, ako je stvoren neispravan proizvod, brzo će se ukloniti zaštitnim sustavom. Tako možemo sa sigurnošću reći da je jedina stvar koju možemo prosuditi standardni životni vijek dobiven u laboratoriju.

zaključak

Ovaj smjer je vrlo obećavajuć. Na primjer, ekspresija stranih gena može pomoći u liječenju nasljednih bolesti, kao i uklanjanje negativnih mutacija. Unatoč dostupnosti opsežnog znanja o ovoj temi, možemo sa sigurnošću reći da je čovječanstvo tek na samom početku ceste. Genetski inženjering je nedavno naučio izolirati potrebne nukleotidne lokacije. Prije 20 godina dogodila se jedna od najvećih događaja ove znanosti - Dollyova ovaca stvorena. Sada se provode studije s ljudskim embrijima. Sa sigurnošću možemo reći da smo već na pragu budućnosti, gdje nema bolesti i fiziološke patnje. Ali prije nego što dođemo tamo, bit će potrebno raditi vrlo dobro za prosperitet.