17.1 Реттеулік гендер және ағзаның дамуы

Тірі миллиардтаған әртүрлі жасушалардан тұрады. Олардың формалары қарапайымнан күрделіге өзгереді: өрмекші, қар бүршігі, жұлдыз, т.б. Бұл факт гистология дамуының басында-ақ дәлелденген – жануарлар мен өсімдіктердің әртүрлі мүшелерін құратын жасушалар мен талшықтар туралы ғылым. Жасушаларды арнайы бояулар арқылы кесінділерде зерттей бастағанда қоспаларды пайдалана отырып олардың кесіндісінде бірнеше жасушалар байқалды, олар өлшемі, формасы, бояуға ұқсастықтарымен ерекшеленді. Сонымен қатар, ішкі түр, функциясы мен арнайы химиялық тұрғыдан әртүрлі генетикалық ақпараттар жасушалары бірдей екендігі анықталды.

Регуляторлық гендер мен жасушалардың дамуы. Ерекше жасушалық дифференцияны анықтайтын арнайы талшықтық гендер, басқа гендердің қызметін бақылайтын қысым жүйесінде қолданылады. Бұл гендерді регуляторлық, уақытша және «архитектуралық» деп бөлуге болады. Олардың қалай жұмыс жасайтынын көрейік. Drosophila virilis еркегін тұқым шығаратын баданада шығарған (Drosophila туысы түрлердің арасындағы ең жақсы генетикалық тұрғыда зерттелген). Бұл изофермент аналықтық жыныстық мүшесіне түсіп, иісі бар феромонды түзе отырып цисвакценилацетат таратады, ол «аталыққа» бұл аналық оның қызметіне одан зәру еместігін хабарлайды. Алдыңғы мәліметтер бойынша бұр тасымалдаушы РНК-ның бірі, ақуыз синтездеуші жерге аминқышқылдарын апарады, ол «біздің» изоферментіміз эстеразаның түзілуі үшін маңызды. Дегенмен, жасушада түзілетін изофермент молекулалары онда бос не байланысқан күйде бола алады. Шыбындарың әртүрлі түрлері мен ұрпақтары үшін «бос» және байланысқан фракцияның қатынасы әртүрлі болады, ол арнайы архитектуралық генмен анықталады. Сонымен, жасушаның генетикалық регуляциясы күрделі процесс, арнайы талшықты өнімнің синтезі тәуелді болатын арнайы ген жүйелері бар. Мұндай жүйелер дрозофиллаларға, біздің еліміздегі әртүрлі зертханалардағы, сонымен қатар шетел зертханаларында АҚШ, Германия мен Австралияда бар ұсақ сүтқоректілерге тән. Осыншама жетістіктерге қарамастан ұзақ уақытқа дейін молекулярлы құбылыстар арасындағы индивидуалды даму кезінде жасушада болатын көпіршеден өту, форма қалыптасу процесін түсіндіру қиын болды. Тек онтогеноз кезеңіндегі кейбір молекулярлық құбылыстардың кейбір бөліктері ғана оның әртүрлі ұрық пішінінде сәйкестендіріліп түсіндірілді. Бірақ та молекулярлық құбылыстар морфогенетикалық өзгерістері әлі де толығымен зерттелген жоқ.

Геннің регуляциясы мен ағзаның дамуы. Генетика ғылымының тарихи даму барысында біздің генетика туралы ұғмымыз үнемі өзгеріп отырды. Басқа генді белгісіз факторлармен мұрагерлікке беріледі десек, қазір ақуыз құрылысын анықтайтын ДНК (кейде РНК) арнайы реттілікпен беріледі деп санаймыз. Барлық ген хромосомада орналасқан, әрқайсысының өзіндік мәні бар, геномды құрайды, ағзаның тіршілік әрекетін анықтайды.

Мұнда бір жасушадан әртүрлі жасуша түрі пайда болатынына назар аударуымыз керек. Биология, анатомия туралы әдебиеттерде адам, жануар және өсімдік денесін құраушы әртүрлі талшықтар түрі келтірілген. Біздің жасушаларымыз көп аса текше не цилиндр тәрізді, олар бауырды, ас ішек жолдарын, қан түтікшелерін, тері қабатының төменгі қабатын құрайды. Ал жазық жасушаларар тегіс беттерді, ішкі түтікшелер мен ішкі қабаттарды құрайды. Бұлшықет жасушалары ұзын цилиндр тәрізді болып келеді. Жүйке жүйесі ұзын және жіңішке өсінділерден құралған, олар барлық дене бойынша жылдам сигнал береді. Біздің ағзамызда барлығы жүзден аса жасушалар түрлері бар, олардың көбін зерттесек, олардың арнайы қызметі туралы мәліметтер білеміз. Оларды әртүрлі ақуыздар синтездейді. Егер жасуша анық кодирленген гені бар ақуыз шығарса, онда бұл ген сипатталған не оның экспрессиясы жүріп жатады.

Бактерияларда гендердің реттелуі. 1950 ж. мен 1960 ж. зерттеулер париждік Пастер Иститутында жүргізілді, эксперименттерді француздық ғалым Франсуа Жако, Жак Моно мен бірнеше американдық мамандар жүргізді. Бірінші тәжірибе сүтқоректілердің ішегінде өмір сүретін E. coli-ге жүргізілді. Олар өмірінің бірінші кезеңінде көп сүтті, әсіресе қант сүті – лактозаны керек етеді. Сәйкесінше, бактериялар лактозалық ортада өмір сүруге бейімделді, ол үшін сүт бөлетін арнайы ферменттер керек. Бірақ, лактоза дәрежесі ортада әрқашан бірдей емес болғандықтан, лактозаның бар екендігін білдіретін механизм болу міндетті. E. сoli – жақсы бейімделген ағза, және онда лактоза метаболизмі жақсы реттеледі. Лактоза екі молекула қанттан (дисахаридтен), қарапайым қанттардан – галактоза мен глюкозадан тұрады. Метаболизмнің бірінші сатысында в-галактозидаза дисахаридті ыдыратады, осыдан жасушалар келесі сатыларда өңделеді. Егер E. coli-ні лактозасыз ортада өсірсек, онда бактериялар аз ғана мөлшерде в-галактозидаза өндіреді. Ал егер оған мәдени түрде лактозаны қосса, онда 3–5 мин. соң жасушада айтарлықтай өзгерістерді байқауға болады: ол ферментті 1000 есе тез өндіре бастайды, тек осы фермент қана жалпы бактерияның бірнеше процентін құрайды. Бірнеше минуттан соң фермент өнімділігі төмендеген кезде лактозаны фильтр не центрифуга көмегімен алып тастайдмы, біраз минуттан кейін ферменттердің өнімділігі бірінші кездегі деңгейге дейін төмендейді. Бұл механизмді зерттеу үшін Моно өзінің әріптестерімен бірге мутационды сараптаманы қолданды. Олар лактоза түзе алмайтын мутанттарды алды және оларда в-галактозидаза ферментін байқады. Оларды IaсZ деп атады. Бұл мутанттар қарапайым ферменттер өндіре алады, лактозалы ортада өмір сүре алмайды. Оларда жасушалық мембрана арқылы галактозаны жасушаға жеткізетін дефектті фермент галактозидпермеаза байқады, олар IacY деген атқа ие. Екі мутанттың да гендері қатар орналасқан. Кейбір мутанттарда регуляторлық жүйесінде дефект байқалды, сондықтан олар ген экспрессиясын бастап не тоқтата алмады Іас. Мутанттар ІасІ деп аталды, олар бір уақытта галактозидазу мен пемеазаны өндірді, бақылау құралдары болмады. ІасІ гені Z мен Ү гендерімен бірге орналасқан.

Келесі эксперименттерді бақылау мүмкіншілігі туды. Ген экспрессиясы оның транскрипциясымен түсіндірілді – матрицалық РНК-ң синтезі. РНК-полимероза өзінің транскрипциясын белгілі бір орыннан бастайды, кодирлеуші региондарға жалғасады, оны промотор деп атайды. IacZ гені үшін промотор – I мен Z арасындағы шағын аумақ. Полимераза қозғалады, РНК транкриптін белгілі бағытқа бағыттайды, ген оқылуы жоғарыдан төмен жүреді. Мұндай жағдайда промотор ІасZ генінен жоғары орналасқан. ІасІ гені, регуляторшы ген Іас ақуызын кодирлейді. Бұл аллостерикалық ақуыз, екі байланыс центрі бар, сондықтан екі әртүрлі молекуламен байланыста алады. Бір центр ДНК-ға арналған, оператор деп аталады. Лактоза болмаған жағдайда репрессор оператормен байланыстырады, сөйтіп транскрипцияны қоршап қалады, сондықтан Z мен Ү гендері көрінбей қалады. Сонымен қатар, ақуыз-репрессорда лактозамен байланысатын центр бар, сондықтан ортада лактоза болса, ол репрессормен байланысады, нәтижесінде репрессор формасын өзгертіп оператормен байланыса алмай қалады. Сондықтан, репрессор оператордан ажыратылады, Z мен Ү гендерінің транскрипциясына мүмкіндік туады. Осылайша Z мен Ү бірге суреттеледі. Мұндай бір оператормен бақыланатын гендер – оперондар деп аталады. Бактерия генін де әрқалай реттелетін көптеген оперондар бар. Мысалы, аминқышқылдардың ген регуляциясы жоғарыда сипатталғаннан керсінше. Айталық, жасуша әртүрлі амин қышқылдарға бай ортада. Егер ген регуляциясы дұрыс жүрсе, онда ол артық энергия жұмсамауы керек. Гендер оператормен тек аминқышқылдар артық болған кезде байланысады. Биосинтез гендерінің ферменттері оперондарды түзеді, бірақ та оларды басқа ақуыздар репрессорлар реттейді, оларды олар аминқышқылдарының артық болған кезінде оператормен байланысады. Мысалы, гистидин синтезі үлкен ген блогымен кодирленеді, ол бір оператор мен репрессормен реттеледі. Бұл репрессор оператормен байланысады, гендер транскрипциясын тоқтатады. Егер гистидин концентрациясы азайса, гистидин молекулалары репрессор молекулаларынан ажырайды. Репрессор оператормен енді байланыса алмайды, сондықтан, оперон арқылы қайта транскрипция жүргізуге болады.

Эукариот гендерінің реттелуі. Прокариоттар – қарапайым бактериялар, үнемі өзгеріп отыратын қоршаған ортада өмір сүреді. Олардың регуляция механизмінің жиыны ортаға тез бейімделуге, құбылыстардың, қоректік заттардың тез пайда болып, жоғалуына бейімделгіш. Эукариоттардың басым көпшілігі – көпжасушалы ағзалар – өсімдіктер мен жануарлар. Олардың жасушалары басқа ортасы аз өзгеретін жасушалар ортасында да өмір сүре береді. Адамда бақылау жүйесі бар (мысалы, жүйке және гуморалды жүйелер), адамда қан, басқа талшықтардың құрамын сақтайтын, температура, қан қысымы және т.б. қасиеттерге бақылау жүйесі өзгереді. Кейбір жасушалар орта өзгерісіне тез бейімделуге тиіс (мысалы, бауыр жасушалары), бірақ көптеген жасушалар ортасы аз ғана өзгеріске ұшырайды. Жасушада сол не басқа талшықтардың жиналуы оларға ерекше форма беретін, белгілі функцияларды орындауға қабілеттілік беретін арнайы ақуыздарды өндіреді. Сәйкесінше, ген регуляциясының негізгі сұрағы – қандай әдіспен зигота үлкен ағзаға айналады. Бактерия енуінің регуляциясы – өте жақсы ортақ модель. Ген экспрессиясын ДНК-ны арнайы реттеуші орындармен байланыстыратын арнайы ақуыздар реттейді. Дегенмен, эукариот генінің механизмі бактерияларға қарағанда өзгеше. Ген өзін-өзі реттейді, оперон тәрізді ген блогы емес. Әрбір генде өзінің промоторы бар, ол промоторлармен және бір-бірімен байланысқан ақуыздар жиынымен реттеледі. Мұндау регуляция өте күрделі болады. Эукариот жасушасында ортақ ақуыздар бар, олар барлық промоторлармен байланысып, транскрипцияны иницирлейді; бұдан басқа, оларда әртүрлі класстарға арналған азды-көпті спецификалық ақуыздар болады.