Кесте. Генетикалық код

Белок синтезі транскрипция және трансляция кезеңдерінен тұрады. ДНҚ тізбегінде информациялық рибонуклейн қышқылының (РНҚ) түзілу процессі транскрипция деп аталады. Бұл процесте ДНҚ-ға тәуелді РНҚ -полимераза ферменті басты рөл атқарады. Осы ферменттің көмегімен клетканың барлық РНҚ типтері синтезделеді.

Құрылым жағынан РНҚ негізінен жалғыз тізбектен құралған және тек жасуша ядросында ғана емес, сондай-ақ цитоплазмада да кездеседі. Жасуша РНҚ-ы үш түрлі – ақпараттық (иРНҚ), тасымалдаушы (тРНҚ) және рибосомалық (рРНҚ) – топқа бөлінеді. Үшеуі де ДНҚ-да тікелей синтезделеді.

49-Сурет. Белок синтезінің үлесі

Ақпараттық РНҚ жасушадағы барлық РНҚ-ның 3-5%-нан құрайды. Кейде ол матрицалық РНҚ (мРНҚ) деп те аталады, өйткені ол ДНҚ-ның біршама бөлігінің көшірмесін өзінде сақтайды. Жасушадағы барлық РНҚ-ның 80%-ын рибосомалық РНҚ құрайды. РНҚ-ның бұл түрі цитоплазмада орналасқан, мұнда ол белок молекуласымен байланысып, рибосома түзеді. Рибосома массасының 60%-ы рРНҚ-дан тұрады. Тасымалдаушы РНҚ иРНҚ-мен қатар ақуыз синтезіне қатынасады: рибосомаға амин қышқылын тасымалдайды. Әрбір амин қышқылының өзінің тРНҚ-сы бар. Бірқатар амин қышқылдары үшін бірден көп тРНҚ ашылды.

Информациялық РНҚ молекуласындағы тізбектен триплеттер негіздерінің полипептидтік тізбектегі амин қышқылдар қатарына аударылу механизмі трансляция деп аталады. Бұл процесс цитоплазманың рибосомаларында өтеді. Информациялық РНҚ молекуласы бірнеше рибосомамен байланысып, полисома түзіледі. Полисомаға ақуыз синтезі үшін қажет амин қышқылдарын РНҚ тасымалдайды. Терминация не ақуыз синтезінің соңы терминациялау кодондары – УАА, УГА немесе УАГ (стоп-кодондар) триплеттерінің қызметі арқылы өтеді.

Белок синтезінің реттелуі.Онтогенез барысында бір мезгілде барлық гендердің қызметі, яғни олардың транскрипциясы және трансляциясы байқалмайды. Тіршілік барысында клетка үшін белок қажет болмаса, онда олардың синтезделуі тоқтауы керек, егер әлдебір уақытта оған мұқтаждық туса, олар қайтадан синтезделуі керек. Осыны 1961 жылы франция генетиктері Ф. Жакоб пен Ж. Моно бактерияның лактоза оперонында тыңғылықты зерттеді. Қазіргі кезде белок синтезі немесе гендер жұмысы бірқатар механизмдер көмегімен реттеледі. Эукариоттар жасушасын реттеу механизмі жан-жақты зерттелуде, алайда, олардың әсер ету механизмі туралы мәліметтер жеткіліксіз, осындай реттеуіш механизмнің кейбіреулері бактериялық жүйеде тыңғылықты зерттеледі.

E.Colі бактериясы лактоза бар ортада өссе, онда олар оны ыдырату үшін аса қажетті ферменттерді синтездейді, оларды лактоза, глюкоза және галактозаға дейін гидролиздейді, ары қарай олар клетка тіршілігінде пайдаланылады. E.Colі үшін энергия көзі болып глюкоза саналса, онда ¥-галактозидазаның синтезделмейтіні анықталды. Ал, егер клетка өсіп жатқан ортаға гидролизденбейтін лактозаның аналогы – изопренил ¥-D тиогалактозидті қосса, онда ¥-галактозидазаның синтезі басталады. Лактоза мен изопренил - ¥-D тиогалактозидаза сияқты ақуыз синтезін индукциялауға қабілетті қосылыс индуктор деп аталады. Индуктордың әсерінен E.Colі клеткасында ¥-галактозидаза молекуласының синтезделуі 100 еседей артады, бұдан басқа тағы екі фермент – галактозидпермеаза (¥-галактозидазаны тасымалдауға және оның жиналуына қатысады) және галактозидтрансацетилаза түзіледі.

E.Colі бактериясының жасушасына енген лактозаның толық ыдырауы үшін үш ферменттің қызметі қажет, ал әрбір фермент мынадай құрлымды гендер арқылы анықталады: Lac Z-¥-галактозидаза, Lac Y-галактозидпермеаза және LacA-тарнсацетилаза гені. Құрылымды геннің активтілігі (транскрипция процесінің өтуі) реттеуіш ген деп аталатын тағы бір генмен бақыланады. Реттеуіш-ген құрылымды гендерден біршама қашықтықта орналасады, оның қызметі – реттеуші репрессор (тежегіш) синтездеу. Репрессор құрылымды гендерде иРНҚ синтезделуін тежейді, бірақ ол құрылымды гендерге ген-оператор (құрлымды гендердің алдындағы ДНҚ-бөлігі) арқылы жанама әсер етеді. Оператордың алдында промотор орналасқан, оған РНҚ полимераза бекінеді. Бір репрессордың бақылауындағы гендер – промотор, оператор және құрылымды – оперон деп аталады.

Зерттеулер оперонның индуцибельді немесе репрессибельді болатынын көрсетеді, осыған байланысты ақуыз синтезінің индукция және репрессия теориялары ұсынылады. Жакоб пен Моно бойынша лактоза оперонының қызметі лактозаға байланысты. Лактоза жоқ кезде құрылымды гендердің қызметі іске аспайды, яғни репрессияланған.

Реттеуші генде ақуызды (репрессорды) синтездейді. Репрессор операторымен байланысады, ақуыз – репрессор РНҚ – полимеразаның промоторға бекінуін тежейді, яғни репрессор құрылымды гендердің транскрипциясын тежейді.

Қоректік ортада лактоза енген кезде, олар репрессормен байланысып, берік комплекс құрайды. Нәтижесінде репрессор оператордан ажырап, промотор мен РНҚ-полимеразаның өзара әрекеттесуіне қолайлы жағдай туады яғни құрылымды гендердің транскрипциясы басталады. Лактозаның соңғы молекуласының ажырауы біткеннен кейін, репрессор қайтадан операторды жауып, құрылымды гендердің транскрипциясын тоқтатады.

Жакоб-Моно үлгісін эукариоттық клеткаларға қолдану әрекетінен кейін, оларда гендік активтіліктің реттелуі анағұрлым күрделі екендігі мәлім болды.

Прокариоттарға қарағанда эукариоттар оперонында әдетте бір ғана құрылымды ген болады. Алайда, эукариоттарда гендер жұмысының Жакоб-Моно бойынша реттелу принципі сақталады.

ДНҚ-ның біраз бөлігі РНҚ-ға транскрипцияланады, бірақ барлығы иРНҚ-ға айналып, цитоплазмада трансляцияланбайды. РНҚ түзілуінің бақылануы ядро мен цитоплазманың әр түрлі деңгейлеріне өтеді. Олардың ішінде ген жұмысының транскрипция деңгейінде реттелуі маңызды болып саналады.

Прокариоттардағыдай эукариоттық құрылымды гендер транскрипциясы басталуы үшін РНҚ-полимераза ферменті геннің 5-ұшында орналасқан промотормен байланысуы керек. Эукариот промоторының ұйымдастырылуы күрделі және одан құрылымды гендер транскрипциясының инициациясын бақылайтын ерекше бөліктерді - ТАТА, ЦААТ т.б. белоктарды ажыратуға болады. Бұл бөліктер РНҚ-полимераза 2 арқылы жүретін ДНҚ тізбегінің транскрипциясына әр қилы әсер етеді.

ТАТА – блок транскрипция басталуының дұрыс өтуін және тиімділігін бақылайды. Ол транскрипция нүктесінің алдында геннің 5- ұшына қарай орта есеппен 25 н.ж. қашықтықта орналасады. ТАТА –блоктың жоқ болуы немесе оның өзгеруі (нүктелік мутация) бақаның гистон генінің транскрипциясының бес есе кемуіне әкелетіні дәлелденді. Медициналық генетиканың жаңа мәліметтері ТАТА –блоктың мутациялық өзгеруі салдарынан адамда ¥-талассемия ауруы (гемоглобиннің ¥-тізбегі синтезінің өтпеуі) дамитыны дәлелденді.

Одан әрі ТАТА – блоктың алдында, транскрипция бағытына қарсы шамамен 75 н.ж. (40-80 н.ж.) қашықтықта эукариоттық промотордың тағы бір консервативті тізбегі ЦЦААТ-блогы орналасқан. Бұл блоктың қызметі РНҚ-полимераза ферментінің байланысуын қамтамасыз етеді деп жорамалдануда. Бұл блок тауықтың овальбумин және әр түрлі глобин гендерінің транскрипциясының тиімділігіне әсер етеді.

Транскрипцияның инициация нүктесінен біраз қашықтықта (100 н.ж. және одан жоғары) энхансер деп аталады тізбектер табылды. Энхансерлер транскрипция тиімділігін ондаған, жүздеген есе күшейте алады. Осындай күшейткіштер алғаш рет Н2А гистонының генін зерттеуде ашылды. Энхансерлердің ерекшелігі олардың едәуір қашықтықтан (1000 н.ж. астам) және ген транскрипциясының бағытына байланыссыз әсер ету қабілеттілігінде. Энхансерлер генінің 5-ұшында, сондай-ақ интрон ішінде орналаса алады. Негізінен олар промотор құрамына енбейді.

Кейбір құрылымды гендердің 5-ұшында энхансерден бөлек транскрипция процесін әлсірететін тізбектер табылды, олар силансер деп аталады. Ген транскрипциясын күшейткіштер мен әлсіреткіштердің әсері қарама-қарсы бағытта болғанымен бірқатар қасиеттерімен бір-бірімен ұқсас.

Генетикалық инженерия.Генетикалық инженерияның немесе ген инженериясының мақсаты – организмнен табиғи генді бөлу немесе оны пробиркада синтездеу. Селекциялық мақсат үшін синтезделген генді бактерия клеткасына немесе басқа организмдерге енгізіп, адамға қажетті биотехнологиялық өнім алу керек. Алайда, бөтен клеткаға генді таза күйде енгізбейді, өйткені бактериялық клетканы танып, өздерінің рестрикциялық ферменттерімен жойып жібереді.

Сондықтан синтезделген ген бактериялық ДНҚ-мен біріктіріледі, олар рекомбинантты ДНҚ (рДНҚ) деп аталады. Қазіргі кезде генетикалық инженерияның әдістері көмегімен мал селекциясының аса маңызды мәселелері шешіледі деп күтілуде. Мысалы, пробиркада синтезделген адамның қалыпты генін бактерияға енгізу арқылы кейбір ауруларды емдеу үшін аса қажетті медициналық және ветеринариялық препараттар алынуда.

Ген инженериясы бірнеше кезеңдерден тұрады:

- генді алу;

- рДНҚ молекуласын құрастыру;

- генді жасушаға енгізу;

- геннің қызметін бақылап, қажет өнім алу.

Генді алудың үш әдісі бар: табиғи генді тікелей бөлу, химиялық және ферменттік синтез.

Табиғи генді тікелей бөлу әдісінде ДНҚ бөлігін үзетін рестриктазалар пайдаланылады. Генді дәлірек үзетін рестриктазаны қолдану керек. Рестриктазалар – ген инженериясының басты құралы болып табылады. Қазіргі кезде бөлінген генді әр түрлі ферменттермен үзіп, геннің рестрикциялық картасы (нүктелері) құрастырылды. Генді синтездеудің химиялық әдісі ақуыздың амин қышқылдар қатары белгілі болса қолданылады. Геннің нуклеотидтері химиялық жолмен синтезделеді. Генді синтездеудің ферменттік әдісінде алдымен, клеткалардан (мұнда, қажет геннің активтілігі жоғары болуы керек) иРНҚ молекулаларын бөліп алады. Бұдан кейін кері транскриптаза ферментінің көмегімен бөлінген иРНҚ-ға компелементарлы ДНҚ синтезделеді.

Бактерияға енген таза генді бактериялық ферменттер ыдыратып жібереді, сондықтан векторлық молекулалар қолданылады. Вектор деп бөтен генетикалық материалды клеткаға (реципиенттің) тасымалдауға қабілетті ДНҚ молекуласын түсінеді. Векторлық молекуланың негізгі шығу көзі болып плазмидалар (бактериялық хромосомадан тыс бөлікте орналасқан ДНҚ молекуласы) мен бактериофагтар (бактерияда тіршілік ететін вирустар) саналады. Жалпы тұрғыдан алғанда рекомбинантты ДНҚ шығу тегі екі түрлі ДНҚ молекулаларынан – геннен (мысалы, адамның немесе жануардың) және вектордан (мысалы, бактерияның немесе фагтың) құралған. Плазмида мен бактериофаг ДНҚ-сы (ішінде адам гені бар) бактериялық ДНҚ-ға генетикалық жақын болғандықтан, оларды бактериялық ферменттер ыдыратпауы мүмкін.

Ой цитогенетикасы