История биологии с начала XX века до наших дней

В 1960–1962 гг. в лаборатории Р.Б. Хесина-Лурье удалось выяснить, что гены фагов начинают считываться не одновременно. Было показано, в частности, что гены фага Т2 можно разделить на ранние, работа которых падает на первые минуты заражения бактериальной клетки, и поздние, начинающие синтезировать иРНК после завершения работы ранних генов.

Четкая координированность действия генов и их своеобразная иерархия была доказана Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961). Они показали, что гены бактерий можно условно разделить на два различных типа — структурные гены, дающие информацию о синтезе определенных белков (ферментов), и регуляторные гены, следящие за включением и выключением отдельных генов или их блоков в зависимости от метаболических потребностёй клетки. По представлениям Жакоба и Моно, регуляторные гены должны детерминировать особые молекулы репрессоров, которые, соединяясь с другими генами регуляторной системы — генами-операторами, управляют работой последних. Тем самым Жакоб и Моно разделили гены регуляторной системы в свою очередь на два типа — гены-регуляторы и гены-операторы[193]. В экспериментах с кишечной палочкой они смогли дать принципиальное доказательство существования этих типов. По их данным, ген-регулятор находится на некотором отдалении от структурных генов, управляемых им, а оператор непосредственно к ним примыкает. Авторы ввели в генетику новое понятие, определив блок структурных генов и управляющий ими оператор, как единую функциональную единицу — оперон.

В последние годы были получены данные о наличии еще одной управляющей ячейки генной активности — промоторе. Оказалось, что по соседству с операторным участком, к которому присоединяется продукт — белковое вещество репрессор, синтезированный на гене-регуляторе, имеется другой участок, который также следует отнести к членам регуляторной системы генной активности. К этому участку присоединяется молекула фермента РНК-полимеразы. В этом промоторном участке должно произойти взаимное узнавание уникальной последовательности нуклеотидов в ДНК и специфической конфигурации белка РНК-полимеразы. От эффективности узнавания будет зависеть осуществление процесса считывания генетической информации с данной последовательности генов оперона, примыкающего к промотору.

Таким образом, схема взаимодействия гена-регулятора, оператора, промотора, ферментов и рибосом, участвующих в синтезе специфических белков, может быть представлена следующим образом (см. рисунок): на гене-регуляторе синтезируется вещество белковой природы — репрессор. Последний может воздействовать на операторный участок — выключать (или в некоторых случаях включать) его. Репрессор, кроме того, может взаимодействовать с метаболитами, синтезируемыми под контролем специфических генов. Если метаболиты накопились в достаточном количестве, они, взаимодействуя с репрессором, изменяют его конфигурацию, и он отсоединяется от операторного участка. В том случае, когда оператор находится в состоянии, при котором он и находящиеся под его контролем структурные гены могут функционировать, к промоторному участку присоединяется молекула РНК-полимеразы, начинающая считывать информацию с данного оперона. Информация считывается в виде последовательности оснований в молекуле иРНК. К концу этой иРНК присоединяется рибосома и, продвигаясь вперед, считывает информацию с иРНК, в результате чего синтезируется полипептидная цепь. Вслед за первой рибосомой присоединяется вторая, за ней третья и т. д. Таким образом осуществляется взаимно скоординированное функционирование частей белок-синтезирующего аппарата.

Такова картина синтеза белка в бактериальных клетках. В клетках высших организмов она оказалась несколько иной: молекулы иРНК после окончания их синтеза отделяются от матрицы ДНК и скапливаются в цитоплазме. Предполагают, что они переходят в цитоплазму соединенными со специальными белками (возможно, близкими к гистонным белкам).

Схема генетической регуляции белкового синтеза, по Жакобу и Моно (1961).

1 — регуляторный ген; 2 — оператор; 3 — структурный ген А; 4 — структурный ген В; 5 — ДНК; 6 — репрессор; 7 — РНК; 8 — регуляторный метаболит; 9 — аминокислоты; 10 — фермент А; 11 — фермент В.

Схема, поясняющая взаимодействие регуляторных и структурных генов при синтезе белка (по Жакобу и Моно, 1961).

ГР — ген-регулятор; П — промоторный участок; О — операторный участок; СГ₁, СГ₂ и СГ₃ — первый, второй и третий структурные гены, входящие в данный оперон.

Репарация генетических повреждений.