22.7. Регуляция активности генов

В этой главе мы описали механизмы, с помощью которых клетки передают генетический материал из поколения в поколение. Структура и функции генетического материала в настоящее время изучены достаточно подробно, однако в генетике остается еще ряд областей, где вопросов много, а ответов мало. За последние 30 лет генетические исследования сильно продвинулись вперед, и на многие фундаментальные вопросы ответы уже получены. Самые главные достижения - это, несомненно, открытие структуры ДНК и расшифровка генетического кода. Эти два открытия вдохновили других ученых и побудили их попытаться глубже проникнуть в тайны молекулярной генетики. Большая часть неразрешенных проблем, стоящих перед молекулярными генетиками, связана с механизмами, которые регулируют активность генов, участвующих в процессах метаболизма, развития и дифференцировки.

Классической генетикой установлено, что все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, т. е. содержат одинаковое число хромосом, несущих одни и те же аллели. И тем не менее клетки многоклеточного организма очень разнообразны по структуре и функциям. Даже в одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может варьировать в зависимости от обстоятельств и потребностей. Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, были впервые получены при изучении регуляции синтеза ферментов у Е. coli.

В 1961 г. Жакоб и Моно провели ряд экспериментов, желая понять природу индукции синтеза ферментов у Е. coli. Полагают, что в клетках Е. coli синтезируется около 800 ферментов. Синтез некоторых из них происходит непрерывно, и их называют конститутивными ферментами; другие же образуются только в присутствии надлежащего индуктора, который может и не быть субстратом данного фермента. Такие ферменты, примером которых служит β-галактозидаза, называют индуцибельными ферментами.

Е. coli быстро растет на культуральной среде, содержащей глюкозу. При перенесении клеток на среду, содержащую вместо глюкозы лактозу, рост начинается не сразу, а после короткой задержки, но затем идет с такой же скоростью, как и на среде с глюкозой. Проведенные исследования показали, что для роста на лактозной среде необходимо наличие двух веществ, которые Е. coli обычно не синтезирует: Р-галактозидазы, гидролизующей лактозу до глюкозы и галактозы, и лактозопермеазы, делающей клетку способной быстро поглощать лактозу из среды. Это служит примером того, как изменение в условиях среды - замена глюкозы лактозой - индуцирует синтез определенного фермента. Другие эксперименты с Е. coli показали, что высокое содержание в среде аминокислоты триптофана подавляет выработку триптофансинтетазы - фермента, необходимого для синтеза триптофана. Синтез β-галактозидазы служит примером индукции, а подавление синтеза триптофансинтетазы - примером репрессии фермента. На основании этих наблюдений Жакоб и Моно предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию,- механизм "включения" и "выключения" генов.