» , » Jeden gen jeden enzym

Jeden gen, jeden enzym

         92
Data publikacji: 24 lipca 2018 r.

    

Hipoteza jeden gen, jeden enzym to pomysł wysunięty na początku lat 40. XX wieku, że każdy gen kontroluje syntezę lub aktywność jednego enzymu. Koncepcję, łączącą dziedziny genetyki i biochemii, zaproponowali amerykański genetyk George Wells Beadle i amerykański biochemik Edward L. Tatum, prowadzący badania nad Neurosporą crassa. Eksperymenty obejmowały najpierw obrazowanie formy w promieniowaniu rentgenowskim wywołującym mutacje, a następnie hodowanie jej na minimalnej pożywce hodowlanej, która zawierała tylko niezbędne składniki odżywcze potrzebne do przetrwania szczepu typu dzikiego. Odkryli, że zmutowane szczepy pleśni wymagają dodania pewnych aminokwasów, aby rosnąć. Korzystając z tych informacji, naukowcy byli w stanie powiązać mutacje w określonych genach z zakłóceniami poszczególnych enzymów w szlakach metabolicznych, które normalnie wytwarzałyby brakujące aminokwasy. Obecnie wiadomo, że nie wszystkie geny kodują enzym i że niektóre enzymy składają się z kilku krótkich polipeptydów kodowanych przez dwa lub więcej genów.

Ekspresja genu to proces, w którym dziedziczna informacja z genu jest przekształcana w funkcjonalny produkt - RNA lub białko. Ekspresja genów może być regulowana na wszystkich etapach procesu: podczas transkrypcji, podczas translacji oraz na etapie potranslacyjnych modyfikacji białek.

Ekspresja genów jest podłożem zmian ewolucyjnych.

Regulacja ekspresji genów na poziomie transkrypcji u prokariontów:

Regulacja transkrypcji w komórkach odbywa się na poziomie poszczególnych genów, ich bloków, a nawet całych chromosomów. Zdolność do kontrolowania wielu genów z reguły zapewnia obecność w nich wspólnych regulatorowych sekwencji nukleotydowych, z którymi oddziałują czynniki transkrypcyjne tego samego typu. W odpowiedzi na działanie specyficznych efektorów czynniki te nabywają zdolność wiązania się z dużą precyzją z sekwencjami genów regulatorowych. Konsekwencją tego jest osłabienie lub wzmocnienie transkrypcji odpowiednich genów. Trzy główne etapy transkrypcji stosowane przez komórki bakteryjne do regulacji syntezy RNA to inicjacja, elongacja i terminacja.

Ekspresja genów eukariotycznych różni się od ekspresji prokariotów:

1) Eukarionty mają trzy typy polimeraz RNA: polimeraza RNA1 katalizuje transkrypcję genów rybosomalnych. Polimeraza 2 RNA katalizuje transkrypcję wszystkich genów strukturalnych. Polimeraza RNA3 katalizuje transkrypcję tRNA i 5S-rybosomalnego RNA (katalizuje tworzenie mRNA obecnych tylko u eukariontów).

2) Region promotora u eukariontów jest dłuższy.

3) U eukariontów każdy gen jest reprezentowany przez naprzemienne sekwencje kodujące i niekodujące. Kodowanie - egzony, niekodowanie - introny.

4) Eukarionty mają wzmacniacze rozpoznawane przez białka. Mogą znajdować się dość daleko od początku transkrypcji. Wzmacniacz i powiązane z nim białko zbliżają się do miejsca wiązania polimerazy RNA z DNA.

5) Istnieją „tłumiki”, które tłumią transkrypcję.

Jeden gen, jedna hipoteza enzymatyczna sugeruje, że każdy gen może kodować tylko jeden łańcuch polipeptydowy, który z kolei może być włączony jako podjednostka do bardziej złożonego kompleksu białkowego. Teorię wysuniętą przez G. Beadle i E. Tatuma w 1941 r. na podstawie analizy genetycznej i biochemicznej neurospor stwierdzili, że w warunkach eksperymentalnych, pod wpływem różnych mutacji, tylko jedna z dowolnego łańcucha reakcji biochemicznych wyłączane za każdym razem. Wątpliwości co do bezwzględnej słuszności tej teorii pojawiły się w związku z odkryciem systemu „dwa geny - jeden polipeptyd”, a także z istnieniem nakładających się genów. Z funkcjonalnego punktu widzenia teoria ta jest warunkowa w związku z odkryciem białek wielofunkcyjnych.

Wzorce istnienia komórki w czasie. Cykl komórkowy (życiowy). apoptoza i martwica. Cykl mitotyczny (proliferacyjny). Główne wydarzenia cyklu mitotycznego. Faza reprodukcyjna (interfaza) i faza separacji (mitoza) cyklu mitotycznego. Problemy proliferacji komórek w medycynie.

cykl komórkowy- jest to okres istnienia komórki od momentu jej powstania przez podział komórki macierzystej do jej własnego podziału lub śmierci.

Ważnym elementem cyklu komórkowego jest cykl mitotyczny- zespół powiązanych i skoordynowanych w czasie zdarzeń zachodzących w procesie przygotowania komórki do podziału oraz podczas samego podziału. Ponadto cykl życiowy obejmuje okres wykonywania przez komórkę określonych funkcji organizmu wielokomórkowego, a także okresy spoczynku. W okresach spoczynku bezpośredni los komórki nie jest determinowany: może ona albo rozpocząć przygotowania do mitozy, albo rozpocząć specjalizację w określonym kierunku funkcjonalnym.

Czas trwania cyklu mitotycznego dla większości komórek wynosi od 10 do 50 h. Biologiczne znaczenie cyklu mitotycznego polega na tym, że zapewnia ciągłość chromosomów w serii pokoleń komórek, tworzenie komórek o równoważnej objętości i zawartości informacje dziedziczne. Tak więc cykl jest ogólnym mechanizmem reprodukcji organizacji komórkowej typu eukariotycznego w rozwoju indywidualnym.

polegają na reduplikacji (samopodwojeniu) materiału dziedzicznego komórki macierzystej i równomiernym rozmieszczeniu tego materiału między komórkami potomnymi. Zgodnie z dwoma głównymi wydarzeniami cyklu mitotycznego w nim przydzielić fazy reprodukcji i separacji odpowiadające interfazie i mitozie klasycznej cytologii.

apoptoza- zaprogramowana śmierć komórki, czyli regulowany proces samozniszczenia na poziomie komórkowym, w wyniku którego komórka ulega fragmentacji na oddzielne ciała apoptotyczne, ograniczone błoną plazmatyczną. Fragmenty martwej komórki są zwykle bardzo szybko fagocytowane przez makrofagi lub sąsiednie komórki, z pominięciem rozwoju reakcji zapalnej. Proces apoptozy trwa 1-3 godziny. Jedną z głównych funkcji apoptozy jest niszczenie wadliwych (uszkodzonych, zmutowanych, zainfekowanych) komórek.

Martwica- proces patologiczny, wyrażający się miejscową śmiercią tkanki w żywym organizmie w wyniku jakiegokolwiek uszkodzenia egzogennego lub endogennego. Martwica objawia się obrzękiem, denaturacją i koagulacją białek cytoplazmatycznych, niszczeniem organelli komórkowych i ostatecznie całej komórki. Najczęstszymi przyczynami nekrotycznego uszkodzenia tkanek są: ustanie ukrwienia i narażenie na patogenne produkty bakterii lub wirusów.

30. Cykl mitotyczny. Główne wydarzenia okresów międzyfazowych. Treść i znaczenie faz mitozy. Biologiczne znaczenie mitozy.

Mitotic(proliferacyjny)cykl -zespół powiązanych ze sobą i skoordynowanych zdarzeń zachodzących w procesie przygotowania komórki do podziału i podczas samego podziału. Ponadto cykl życia obejmuje: okres wykonywania komórki organizm wielokomórkowy określone funkcje jak również okresy uśpienia. W okresach spoczynku bezpośredni los komórki nie jest determinowany: może ona albo rozpocząć przygotowania do mitozy, albo rozpocząć specjalizację w określonym kierunku funkcjonalnym. Czas trwania cyklu mitotycznego dla większości komórek wynosi od 10 do 50 godzin.

Biologiczne znaczenie cyklu mitotycznego jest to, że zapewnia ciągłość chromosomów w wielu pokoleniach komórek, tworzenie komórek, które są równoważne pod względem objętości i zawartości informacji dziedzicznej. Tak więc cykl jest ogólnym mechanizmem reprodukcji organizacji komórkowej typu eukariotycznego w rozwoju indywidualnym.

Główne wydarzenia cyklu mitotycznego są w podwojenie(samopodwojenie) materiału dziedzicznego komórki macierzystej i in równomierny rozkład tego materiału między komórkami potomnymi. Zdarzeniom tym towarzyszą regularne zmiany w organizacji chemicznej i morfologicznej chromosomy - struktury jądrowe, w których koncentruje się ponad 90% materiału genetycznego komórki eukariotycznej (główna część pozajądrowego DNA komórki zwierzęcej znajduje się w mitochondriach).

Chromosomy w interakcji z mechanizmami pozachromosomalnymi zapewniają: a) przechowywanie informacji genetycznej, b) wykorzystanie tej informacji do tworzenia i utrzymywania organizacji komórkowej, c) regulację odczytywania informacji dziedzicznych, d) podwojenie (samokopiowanie) informacji genetycznej materiał, e) jego przeniesienie z komórki macierzystej do córki.

Zmiany komórkowe w cyklu mitotycznym.

Zgodnie z dwoma głównymi wydarzeniami cyklu mitotycznego rozróżnia się go rozrodczy oraz działowy odpowiadające fazy interfaza oraz mitoza cytologia klasyczna (ryc. 2.11).

W początkowym segmencie interfazy ( postmitotyczny, presyntetyczny, lub Okres Gi) przywracane są cechy organizacji komórki międzyfazowej, tworzenie jąderka, które rozpoczęło się w telofazie, jest zakończone. Znaczna (do 90%) ilość białka dostaje się do jądra z cytoplazmy. W cytoplazmie, równolegle do reorganizacji ultrastruktury, nasila się synteza białek. Przyczynia się to do wzrostu masy komórkowej. Jeśli komórka potomna musi wejść w kolejny cykl mitotyczny, syntezy stają się ukierunkowane: powstają chemiczne prekursory DNA, enzymy katalizujące reakcję reduplikacji DNA i syntezowane jest białko, które rozpoczyna tę reakcję. W ten sposób realizowane są procesy przygotowania kolejnego okresu interfazy - syntetycznego.

W syntetyczny lub S-okres ilość materiału dziedzicznego komórki podwaja się. Polega na dywergencji helisy DNA na dwa łańcuchy, a następnie syntezie łańcucha komplementarnego w pobliżu każdego z nich. Rezultatem są dwie identyczne cewki. Cząsteczki DNA, które są komplementarne do matczynych, tworzą się w oddzielnych fragmentach na całej długości chromosomu, ponadto niejednocześnie (asynchronicznie) w różnych częściach tego samego chromosomu, a także w różnych chromosomach. Następnie paczki (jednostki replikacyjne - replikony) nowo utworzonego DNA są „usieciowane” w jedną makrocząsteczkę.

Przedział czasu od zakończenia okresu syntetycznego do początku mitozy wynosi postsyntetyczny(premitotyczny), lub G 2 - okres interfazy. Charakteryzuje się intensywną syntezą RNA, a zwłaszcza białka. Podwojenie masy cytoplazmy jest zakończone w porównaniu z początkiem interfazy. Jest to konieczne, aby komórka weszła w mitozę.

Odkrycia organizacji egzon-intron genów eukariotycznych oraz możliwość alternatywnego splicingu wykazały, że ta sama sekwencja nukleotydowa pierwotnego transkryptu może zapewnić syntezę kilku łańcuchów polipeptydowych o różnych funkcjach lub ich zmodyfikowanych analogów. Na przykład mitochondria drożdży zawierają gen box (lub cob) kodujący enzym oddechowy cytochromu b. Może występować w dwóch formach: Gen „long”, składający się z 6400 pz, ma 6 egzonów o łącznej długości 1155 pz. i 5 intronów. Krótka forma genu składa się z 3300 pz. i ma 2 introny. W rzeczywistości jest to „długi” gen pozbawiony pierwszych trzech intronów. Obie formy genu są równie dobrze wyrażone.

Po usunięciu pierwszego intronu „długiego” genu pudełkowego, na podstawie połączonej sekwencji nukleotydowej dwóch pierwszych eksonów i części nukleotydów drugiego intronu, powstaje matryca dla niezależnego białka, maturazy RNA (ryc. 3.43). Funkcją maturazy RNA jest zapewnienie kolejnego etapu splicingu – usunięcia drugiego intronu z pierwotnego transkryptu i ostatecznie wytworzenie matrycy dla cytochromu b.

Innym przykładem jest zmiana wzoru splicingu pierwotnego transkryptu kodującego strukturę cząsteczek przeciwciał w limfocytach. Błonowa forma przeciwciał ma długi „ogon” aminokwasów na C-końcu, co zapewnia utrwalenie białka na błonie. Wydzielana forma przeciwciał nie ma takiego ogona, co tłumaczy się usunięciem nukleotydów kodujących ten region z pierwotnego transkryptu podczas splicingu.

W przypadku wirusów i bakterii opisano sytuację, w której jeden gen może być jednocześnie częścią innego genu lub pewna sekwencja nukleotydów DNA może być częścią dwóch różnych nakładających się genów. Na przykład na mapie fizycznej genomu faga FX174 (ryc. 3.44) można zauważyć, że sekwencja genu B znajduje się wewnątrz genu A, a gen E jest częścią sekwencji genu D. Ta cecha Organizacja genomu faga pozwoliła wyjaśnić istniejącą rozbieżność między jego stosunkowo niewielkimi rozmiarami (składa się z 5386 nukleotydów) a liczbą reszt aminokwasowych we wszystkich syntetyzowanych białkach, przekraczającą teoretycznie dopuszczalną dla danego genomu pojemność. Możliwość składania różnych łańcuchów peptydowych na mRNA syntetyzowanym z nakładających się genów (A i B lub E i D) zapewnia obecność rybosomalnych miejsc wiązania w tym mRNA. Pozwala to na rozpoczęcie translacji innego peptydu od nowego punktu odniesienia.

Sekwencja nukleotydowa genu B jest również częścią genu A, a gen E jest częścią genu D.

W genomie faga λ znaleziono również nakładające się geny, ulegające translacji zarówno z przesunięciem ramki, jak iw tej samej ramce odczytu. Zakłada się również, że dwa różne mRNA mogą podlegać transkrypcji z obu komplementarnych nici tego samego regionu DNA. Wymaga to obecności regionów promotorowych, które determinują ruch polimerazy RNA w różnych kierunkach wzdłuż cząsteczki DNA.

Opisane sytuacje, świadczące o dopuszczalności odczytywania różnych informacji z tej samej sekwencji DNA, sugerują, że nakładające się geny są dość powszechnym elementem w organizacji genomu wirusów i być może prokariontów. U eukariontów nieciągłość genów umożliwia również syntezę różnych peptydów opartych na tej samej sekwencji DNA.

Mając to wszystko na uwadze, konieczna jest zmiana definicji genu. Oczywiście nie można już mówić o genie jako ciągłej sekwencji DNA, która w unikalny sposób koduje określone białko. Najwyraźniej w chwili obecnej formuła „Jeden gen - jeden polipeptyd” nadal powinna być uważana za najbardziej akceptowalną, chociaż niektórzy autorzy sugerują jej zmianę: „Jeden polipeptyd - jeden gen”. W każdym razie pod pojęciem genu należy rozumieć jednostkę funkcjonalną materiału dziedzicznego, który ze względu na swój chemiczny charakter jest polinukleotydem i warunkuje możliwość syntezy łańcucha polipeptydowego, tRNA lub rRNA.

Jeden gen, jeden enzym.

W 1940 roku J. Beadle i Edward Tatum zastosowali nowe podejście do badania, w jaki sposób geny zapewniają metabolizm w wygodniejszym obiekcie badań - mikroskopijnym grzybie Neurospora crassa.. Uzyskali mutacje, w których; nie było aktywności jednego lub drugiego enzymu metabolicznego. A to doprowadziło do tego, że zmutowany grzyb nie był w stanie sam zsyntetyzować pewnego metabolitu (na przykład aminokwasu leucyny) i mógł żyć tylko wtedy, gdy leucyna została dodana do pożywki. Teoria „jeden gen – jeden enzym” sformułowana przez J. Beadle i E. Tatum szybko zyskała szerokie uznanie wśród genetyków, a oni sami otrzymali Nagrodę Nobla.

Metody. Dobór tzw. „mutacji biochemicznych”, prowadzących do zaburzeń w działaniu enzymów zapewniających różne szlaki metaboliczne, okazał się bardzo owocny nie tylko dla nauki, ale także dla praktyki. Doprowadziły one najpierw do powstania genetyki i selekcji drobnoustrojów przemysłowych, a następnie do przemysłu mikrobiologicznego, który wykorzystuje szczepy drobnoustrojów nadprodukujących tak ważne strategicznie substancje jak antybiotyki, witaminy, aminokwasy itp. Zasady selekcji i inżynierii genetycznej szczepów nadproducentów opiera się na założeniu, że „jeden gen koduje jeden enzym”. I choć ten pomysł to doskonała praktyka, która przynosi wielomilionowe zyski i ratuje miliony istnień (antybiotyki) – nie jest ostateczna. Jeden gen to nie tylko jeden enzym.

"

1. Gen jest częścią cząsteczki DNA, która jest funkcjonalną jednostką informacji dziedzicznej.

1. Gen zajmuje pewien obszar w chromosomie - locus.

2. Rekombinacja może wystąpić w genie.

3. DNA, który jest częścią genu, jest zdolny do naprawy.

4. Istnieją geny: strukturalne, regulacyjne itp.

5. Układ trójek jest komplementarny do aminokwasów (mutacje z przesunięciem ramki odczytu).

6. Genotyp, jako dyskretny (składający się z pojedynczych genów), funkcjonuje jako całość.

7. Kod genetyczny jest uniwersalny.

8. Kod genetyczny jest zdegenerowany (dla wielu aminokwasów istnieje więcej niż jeden kodon - miejsce)

9. Geny są ułożone w porządku liniowym na chromosomie i tworzą grupę sprzężoną. Liczba grup sprzężonych odpowiada haploidalnemu zestawowi chromosomów (23 u ludzi lub 24 z rezerwacją dla płci - chromosomy xiy).

Strukturę białek określa zestaw i kolejność aminokwasów w ich łańcuchach peptydowych. To właśnie ta sekwencja aminokwasów w peptydach jest zaszyfrowana w cząsteczkach DNA za pomocą kodu genetycznego.

Właściwości kodu genetycznego:

1. Potrójność- każdy aminokwas jest kodowany przez trzy sąsiednie nukleotydy.
2. Degeneracja- wiele aminokwasów jest zaszyfrowanych kilkoma trójkami.
3. Specyficzność- każdy triplet może kodować tylko jeden konkretny aminokwas.
4. Wszechstronność- pełna zgodność kodu w różnych gatunkach organizmów żywych.
5. Ciągłość- sekwencje nukleotydowe są odczytywane trzykrotnie bez przerw.
6. Nienakładające się kodony- sąsiednie trojaczki nie nakładają się na siebie.

20. Cykl rybosomalny syntezy białek (inicjacja, elongacja, zakończenie). Transformacje potranslacyjne białek.

Informacje dziedziczne zapisane za pomocą kodu genetycznego są przechowywane w cząsteczkach DNA, ale nie uczestniczą bezpośrednio w podtrzymywaniu życia komórki. Rolę pośrednika, którego funkcją jest przetłumaczenie informacji dziedzicznej przechowywanej w DNA na działającą formę, pełni RNA. Na rybosomach odbywa się proces interakcji między mRNA i tRNA, który zapewnia translację informacji z języka nukleotydów na język aminokwasów. Rybosomalne RNA są nie tylko składnikiem strukturalnym rybosomów, ale także zapewniają ich wiązanie z określoną sekwencją nukleotydową mRNA. Ustala to początek i ramkę odczytu podczas tworzenia łańcucha peptydowego. Ponadto zapewniają interakcję między rybosomem a tRNA. Rybosomy mają 2 rowki. Jeden z nich posiada rosnący łańcuch polipeptydowy, drugi mRNA. Ponadto w rybosomach izoluje się 2 miejsca wiązania tRNA. Aminoacylo-tRNA znajduje się w miejscu A aminoacylu, niosącym określony aminokwas. W peptydylowym przekroju P zwykle znajduje się tRNA. Tworzenie miejsc A i P zapewniają obie podjednostki rybosomu. Translację można podzielić na trzy fazy: inicjację, elongację i zakończenie.

Faza inicjacji polega na połączeniu dwóch subcząstek rybosomu, które zostały wcześniej rozdzielone w cytoplazmie w określonym miejscu mRNA i przyłączeniu do niego pierwszego aminoacylo-tRNA. To również ustawia ramkę do odczytu informacji zawartych w mRNA.

faza wydłużania lub wydłużenie peptydu, obejmuje wszystkie reakcje od momentu utworzenia pierwszego wiązania peptydowego do przyłączenia ostatniej amk. Jest to cyklicznie powtarzające się zdarzenie, w którym następuje specyficzne rozpoznanie następnego kodonu aminoacylo-tRNA zlokalizowanego w miejscu A, komplementarnego do połączenia między antykodonem a kodonem. Faza wypowiedzenia lub zakończenie syntezy polipeptydu jest związane z rozpoznaniem jednego z kodonów terminacji (UAA, UAG, UGA) przez specyficzne białko rybosomalne, gdy wejdzie w strefę miejsca A rybosomu. W tym przypadku woda jest przyłączona do ostatniego amc w łańcuchu peptydowym, a jej koniec karboksylowy jest oddzielony od tRNA. W efekcie kompletny łańcuch peptydowy traci połączenie z rybosomem, który rozpada się na dwie subcząstki.

Transformacja potranslacyjna białek.Łańcuchy peptydowe syntetyzowane podczas translacji, na podstawie swojej struktury pierwszorzędowej, uzyskują drugorzędową i trzeciorzędową, a wiele czwartorzędową organizację utworzoną przez kilka łańcuchów peptydowych. W zależności od funkcji pełnionych przez białka, ich sekwencje aminokwasowe mogą ulegać różnym przekształceniom, tworząc funkcjonalnie aktywne cząsteczki białek. Wiele białek błonowych jest syntetyzowanych jako prebiałka z sekwencją liderową na końcu N, która zapewnia im rozpoznawanie przez błonę. Białka sekrecyjne mają również sekwencję liderową na końcu N, która zapewnia ich transport przez błonę. Niektóre białka bezpośrednio po translacji niosą dodatkowe prosekwencje aminokwasowe, które determinują stabilność aktywnych prekursorów białek. Podczas dojrzewania białek są one usuwane, umożliwiając przejście nieaktywnego proproteiny w aktywne białko. Tworząc trzeciorzędową i czwartorzędową organizację w trakcie przekształceń potranslacyjnych, białka nabywają zdolność do aktywnego funkcjonowania, są włączane w określone struktury komórkowe i pełnią funkcje enzymatyczne i inne.

Związek między genem a cechą. Hipoteza „jeden gen – jeden enzym”, jej współczesna interpretacja: „jeden gen – jeden łańcuch polipeptydowy”

Gen - odcinek cząsteczki DNA, który zawiera informacje o strukturze łańcucha polipeptydowego lub makrocząsteczki. Geny jednego chromosomu są ułożone liniowo, tworząc grupę sprzężoną. DNA w chromosomie pełni różne funkcje. Geny mają niewielkie rozmiary, chociaż składają się z tysięcy par zasad. Obecność genu ustala się na podstawie manifestacji cechy genu (produktu końcowego).

Dla Mendla gen jest jedynie symbolem wygodnym do określenia prawa dziedziczenia. Związek między genem a cechą (produktem) został odkryty podczas badania fermentacji w środowisku pozbawionym powietrza - 1902 Garrod. Studiował rodowody pacjentów z alkaptonurii, doszedł do wniosku, że choroba jest wynikiem naruszenia metabolizmu azotu. Zamiast mocznika powstaje ciemna substancja. Z pomocą nietoperzy w 1908 roku zasugerowano, że choroba występuje u homozygot recesywnych, u których nie występuje reakcja enzymatyczna, prowadząca do akumulacji i wydalania substratu, który normalnie powinien zostać rozszczepiony. Krew ludzka zawiera kwas homogentyzynowy, ale normalnie jest rozkładana przez oksydazę kwasu homogentyzynowego do octanu maleinowego, a następnie do wody i dwutlenku węgla. Pacjenci nie mają oksydazy, więc kwas gromadzi się i jest wydalany z moczem.

Albinizm jest również dziedziczony, choć występuje znacznie częściej. W tej chorobie nie ma enzymu, który przekształca tyrozynę w melaninę.

Do 1940 r. opinia naukowców była podzielona, ​​ale nie było teorii. 1940 - Beadle i Tatum postawiono hipotezę: 1 gen - 1 enzym. mi hipoteza ta odegrała ważną rolę - naukowcy zaczęli rozważać produkty końcowe. Okazało się, że hipoteza ma ograniczenia, ponieważ Wszystkie enzymy są białkami, ale nie wszystkie białka są enzymami. Z reguły białka są oligomerami - tj. istnieją w strukturze czwartorzędowej. Na przykład kapsułka mozaiki tytoniu zawiera ponad 1200 polipeptydów. Obecnie najbardziej akceptowalną hipotezą jest: „Jeden gen - jeden polipeptyd”. Pod pojęciem genu należy rozumieć funkcjonalną jednostkę dziedziczności, która ze względu na swój chemiczny charakter jest polinukleotydem i warunkuje możliwość syntezy łańcucha polipeptydowego.

Gen jako jednostka zmienności. Mutacje genów i ich klasyfikacja. Przyczyny i mechanizmy mutacji genów. Konsekwencje mutacji genów.

Gen to elementarna jednostka materiału dziedzicznego. Mutacje genów związane ze zmianą wewnętrznej struktury genów, która zamienia jeden allel w inny.

Zmiany w strukturze DNA tworzącego gen można podzielić na 3 grupy.

4.2.1. Jeden gen, jedna hipoteza enzymatyczna

Pierwsze badania. Po tym, jak w 1902 roku Garrod wskazał na związek defektu genetycznego w alkaptonurii z niezdolnością organizmu do rozkładania kwasu homogentyzynowego, ważne było wyjaśnienie konkretnego mechanizmu leżącego u podstaw tego zaburzenia. Od tego czasu było już wiadomo, że reakcje metaboliczne katalizują enzymy, można było przypuszczać, że to naruszenie jakiegoś enzymu prowadzi do alkaptonurii. Taką hipotezę omówił Driesch (w 1896 r.). Wyrazili to także Haldane (1920, patrz) i Garrod (1923). Ważnymi etapami rozwoju genetyki biochemicznej były prace Kuhna i Butenandta dotyczące badania koloru oczu u ćmy młyńskiej. Efezja kuhniella i podobne badania Beadle i Ephrussi on Drosophila(1936). W tych pionierskich pracach wybrano mutanty owadów, które wcześniej badano metodami genetycznymi, aby wyjaśnić mechanizmy działania genów. Jednak takie podejście nie doprowadziło do sukcesu. Problem okazał się zbyt skomplikowany, a do jego rozwiązania konieczne było:

1) wybrać prosty organizm modelowy dogodny do badań eksperymentalnych;

2) poszukiwać genetycznej podstawy cech biochemicznych, a nie biochemicznego podłoża cech genetycznie zdeterminowanych. Oba warunki spełnili Beadle i Tatum w 1941 roku (patrz także Beadle 1945).

Model Beadle i Tatum. Ich artykuł zaczynał się tak:

„Z punktu widzenia genetyki fizjologicznej rozwój i funkcjonowanie organizmu można sprowadzić do złożonego systemu reakcji chemicznych, które są w jakiś sposób kontrolowane przez geny. Logiczne jest założenie, że te geny… albo same działają jako enzymy, albo determinują ich specyficzność. Wiadomo, że fizjolodzy genetyczni zwykle starają się zbadać fizjologiczne i biochemiczne podstawy znanych już cech dziedzicznych. To podejście umożliwiło ustalenie, że wiele reakcji biochemicznych jest kontrolowanych przez określone geny. Takie badania wykazały, że enzymy i geny mają ten sam porządek specyficzności. Jednak zakres tego podejścia jest ograniczony. Najpoważniejszym ograniczeniem jest to, że w polu widzenia badaczy wpadają w tym przypadku cechy dziedziczne, które nie wywołują skutków śmiertelnych, a zatem wiążą się z reakcjami mało istotnymi dla życia organizmu. Druga trudność… polega na tym, że tradycyjne podejście do problemu polega na posługiwaniu się znakami widocznymi na zewnątrz. Wiele z nich to odmiany morfologiczne oparte na układach reakcji biochemicznych tak złożone, że ich analiza jest niezwykle trudna.

Te rozważania doprowadziły nas do następującego wniosku. Badanie ogólnego problemu genetycznej kontroli reakcji biochemicznych, warunkujących rozwój i metabolizm, powinno być prowadzone za pomocą procedura odwrotna do ogólnie przyjętej: zamiast próbować ustalić chemiczne podłoże znanych cech dziedzicznych, konieczne jest ustalenie czy geny kontrolują znane reakcje biochemiczne i jak to robią. Neurospor workowca ma właściwości umożliwiające realizację takiego podejścia, a jednocześnie stanowi dogodny obiekt do badań genetycznych. Dlatego nasz program został zbudowany na wykorzystaniu tego konkretnego organizmu. Wyszliśmy z faktu, że ekspozycja na promieniowanie rentgenowskie powoduje mutacje w genach kontrolujących pewne reakcje chemiczne. Załóżmy, że aby przeżyć w danym środowisku organizm musi przeprowadzić jakąś reakcję chemiczną, wówczas mutant pozbawiony takiej zdolności okaże się w tych warunkach nieopłacalny. Można go jednak utrzymywać i badać, jeśli jest hodowany na podłożu, do którego dodano istotny produkt genetycznie zablokowanej reakcji”.

4 Działanie genów 9

Ryż. 4.1. Schemat eksperymentu wykrywania biochemicznych mutantów neurospor Na kompletnej pożywce mutacje wywołane promieniowaniem rentgenowskim lub ultrafioletowym nie zakłócają wzrostu grzyba. Jednak mutant nie rośnie na pożywce minimalnej. Po dodaniu witamin do podłoża minimalnego przywracana jest zdolność wzrostu Po dodaniu aminokwasów nie następuje wzrost Na podstawie tych danych można założyć, że mutacja wystąpiła w genie kontrolującym metabolizm witaminy. Krokiem jest identyfikacja witaminy, która może przywrócić normalne funkcjonowanie. W reakcjach biosyntezy witamin stwierdzono blokadę genetyczną.

Następnie Beadle i Tatum opisują projekt eksperymentu (ryc. 4.1). W skład kompletnej pożywki wchodził agar, sole nieorganiczne, ekstrakt słodowy, ekstrakt drożdżowy i glukoza. Pożywka minimalna zawierała tylko agar, sole, biotynę i źródło węgla. Najbardziej szczegółowo zbadano mutanty, które rosły na pożywce pełnej i nie rosły na pożywce minimalnej. W celu ustalenia związku, którego synteza była zaburzona w każdym z mutantów, do agaru minimalnego dodawano poszczególne składniki pełnej pożywki.

W ten sposób wyizolowano szczepy niezdolne do syntezy niektórych czynników wzrostu: pirydoksyny, tiaminy i kwasu para-aminobenzoesowego. Wykazano, że te defekty są spowodowane mutacjami w określonych loci. Prace zapoczątkowały liczne badania nad neurosporami, bakteriami i drożdżami, w których ustalono związek między „blokami genetycznymi” odpowiedzialnymi za poszczególne etapy metabolizmu a określonymi zaburzeniami enzymatycznymi. Podejście to szybko przekształciło się w narzędzie przeznaczone dla naukowców do odkrywania szlaków metabolicznych.

Hipoteza „jeden gen - jeden enzym” uzyskała silne potwierdzenie eksperymentalne. Jak pokazała praca kolejnych dziesięcioleci, okazała się zaskakująco owocna. Analiza wadliwych enzymów i ich normalnych wariantów umożliwiła wkrótce zidentyfikowanie klasy zaburzeń genetycznych, które doprowadziły do ​​zmiany funkcji enzymu, chociaż samo białko było nadal wykrywalne i zachowało właściwości immunologiczne. W innych przypadkach zmieniał się optimum temperaturowe aktywności enzymu. Niektóre warianty można wytłumaczyć mutacją, która wpływa na ogólny mechanizm regulacyjny i w efekcie zmienia aktywność całej grupy enzymów. Takie badania doprowadziły do ​​powstania koncepcji regulacji aktywności genów u bakterii, w tym koncepcji operonu.

10 4. Działanie genów

Pierwsze przykłady zaburzeń enzymatycznych u ludzi. Pierwszą ludzką chorobą dziedziczną, w przypadku której można było wykazać zaburzenie enzymatyczne, była methemoglobinemia z recesywnym sposobem dziedziczenia (Gibson i Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080). W tym przypadku uszkodzonym enzymem jest zależna od NADH reduktaza methemoglobiny. Pierwszą próbę systematycznego badania grupy chorób człowieka związanych z defektami metabolicznymi podjęto w 1951 roku. W badaniu choroby spichrzania glikogenu Corys wykazali, że w ośmiu na dziesięć przypadków stanu patologicznego, który został zdiagnozowany jako choroba Gierke'a (23220), struktura glikogenu wątrobowego była normalnym wariantem, a w dwóch przypadkach była wyraźnie zaburzona . Było również oczywiste, że glikogen wątrobowy, kumulujący się w nadmiarze, nie może być bezpośrednio przekształcony w cukier, ponieważ pacjenci mają skłonność do hipoglikemii. Wiele enzymów jest potrzebnych do rozbicia glikogenu na glukozę w wątrobie. Dwa z nich, amylo-1,6-glukozydaza i glukozo-6-fosfataza, zostały wybrane do badań jako możliwe wadliwe elementy układu enzymatycznego. Uwalnianie fosforanów z glukozo-6fosforanów mierzono w homogenatach wątroby przy różnych wartościach pH. Wyniki przedstawiono na ryc. 4.2. W normalnej wątrobie stwierdzono wysoką aktywność z optimum przy pH 6-7. Ciężka dysfunkcja wątroby w marskości korelowała z niewielkim spadkiem aktywności. Z drugiej strony, w przypadku śmiertelnej choroby Gierkego, aktywność enzymu nie mogła być w ogóle wykryta; ten sam wynik uzyskano w badaniu drugiego podobnego pacjenta. U dwóch pacjentów z mniej nasilonymi objawami nastąpił znaczny spadek aktywności.

Stwierdzono, że w tych przypadkach choroby Gierke'a zakończonej zgonem wystąpił defekt glukozo-6-fosfatazy. Jednak w większości łagodniejszych przypadków aktywność tego enzymu nie była mniejsza niż w marskości wątroby, a tylko u dwóch pacjentów była nieco niższa (ryc. 4.2).

Według małżonków Corey, nieprawidłowe nagromadzenie glikogenu w tkance mięśniowej nie może być związane z brakiem glukozo-6-fosfatazy, ponieważ enzym ten jest nieobecny w mięśniach i jest prawidłowy. Jako możliwe wyjaśnienie glikogenozy mięśniowej sugerowali naruszenie aktywności amylo-1,6-glukozydazy. Ta prognoza została wkrótce potwierdzona: Forbes odkrył taką wadę w jednym z klinicznie istotnych przypadków choroby spichrzania glikogenu obejmującej serce i mięśnie szkieletowe. Teraz my

4. Działanie genów 11

w chorobie spichrzania glikogenu znana jest duża liczba defektów enzymatycznych.

Chociaż różne formy tej choroby różnią się nieco stopniem manifestacji, klinicznie jest między nimi wiele wspólnego. Z jednym wyjątkiem wszystkie są dziedziczone w sposób autosomalny recesywny. Gdyby defekty enzymatyczne nie zostały odkryte, patologia akumulacji glikogenu byłaby uważana za pojedynczą chorobę z charakterystycznymi wewnątrzrodzinnymi korelacjami pod względem ciężkości, szczegółów objawów i czasu zgonu. Mamy zatem przykład, w którym heterogeniczność genetyczną, którą można było założyć jedynie na podstawie badania fenotypu (rozdział 3.3.5), została potwierdzona analizą na poziomie biochemicznym: badanie aktywności enzymatycznej umożliwiło identyfikację określone geny.

W kolejnych latach tempo badań nad defektami enzymatycznymi wzrosło i dla 588 zidentyfikowanych recesywnych genów autosomalnych, które McKusick opisuje w szóstym wydaniu swojej książki Mendelian Inheritance in Man (1983), w ponad 170 przypadkach stwierdzono specyficzne zaburzenia enzymatyczne . Nasz postęp w tej dziedzinie jest bezpośrednio związany z rozwojem koncepcji i metod genetyki molekularnej.

Wybrane etapy badania zaburzeń enzymatycznych u ludzi. Przedstawiamy tylko najważniejsze kamienie milowe w tym trwającym procesie: 1934 Völling odkrył fenyloketonurię

1941 Beadle i Tatum sformułowali hipotezę jeden gen-jeden enzym 1948 Gibson opisał pierwszy przypadek zaburzenia enzymatycznego w chorobie ludzkiej (recesywna methemoglobinemia)

1952 Cory odkrył niedobór glukozo-6-fosfatazy w chorobie Gierkego

1953 Jervis wykazał brak hydroksylazy fenyloalaniny w fenyloketonurii. Bickel doniósł o pierwszej próbie złagodzenia zaburzeń enzymatycznych poprzez przyjęcie diety ubogiej w fenyloalaninę.

1955 Smithies opracował technikę elektroforezy w żelu skrobiowym

1956 Carson i wsp. odkryli defekt dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PD) w przypadku indukowanej niedokrwistości hemolitycznej

1957 Kalkar i wsp. opisali niedobór enzymatyczny w galaktozemii, wykazując, że ludzie i bakterie mają identyczne zaburzenie enzymatyczne

1961 Krut i Weinberg wykazali defekt enzymatyczny w galaktozemii in vitro w hodowanych fibroblastach

1967 Sigmiller i wsp. odkryli defekt fosforybozylotransferazy hipoksantynowo-guaninowej (HPRT) w zespole Lescha-Nyhana

1968 Cleaver opisał naruszenie naprawy przez wycięcie w xeroderma pigmentosa

1970 Neufeld zidentyfikował defekty enzymatyczne w mukopolisacharydozach, co pozwoliło zidentyfikować szlaki rozkładu mukopolisacharydów

1974 Brown i Goldstein udowodnili, że genetycznie uwarunkowana nadprodukcja reduktazy hydroksymetyloglutarylo-CoA w rodzinnej hipercholesterolemii jest spowodowana defektem zlokalizowanego w błonie receptora lipoprotein o małej gęstości, który moduluje aktywność tego enzymu (HMG)

1977 Sly i wsp. wykazali, że mannozo-6-fosforan (jako składnik enzymów lizosomalnych) jest rozpoznawany przez receptory fibroblastów. Defekt genetyczny w przetwarzaniu uniemożliwia wiązanie enzymów lizosomalnych, co powoduje upośledzenie uwalniania do cytoplazmy i późniejszego wydzielania do osocza (choroba komórek I)

12 4. Działanie genów

1980 W pseudoniedoczynności przytarczyc odkryto defekt białka, które zapewnia sprzężenie receptora i cyklazy.