Természet Világa, 2007 (138. évfolyam, 1-12. szám)
2007-11-01 / 11. szám
VILLÁNYI ZOLTÁN- SZABAD JÁNOS A genetikai információ kibontása Az élőlények öröklődő tulajdonságait is azok a gének határozzák meg, amelyMelyek elődeiktől származnak, amelyeket használnak, és utódaikra örökítenek. A gének a DNS olyan szakaszai, amelyek különféle fehérjeféleségek képződését kódolják, amely fehérjék meghatározzák a sejtek az élőlények tulajdonságait. Tudva, hogy a különféle fajok genomjában ezerszám vannak gének, egész csokorra való kérdés merül fel. Vajon minden gén minden sejtben, és mindenkor kifejeződik*? Aligha, hisz’például a szemünk színét meghatározó génjeink csak a szivárványhártyánk sejtjeiben aktívak. Milyen mechanizmusok biztosítják hogy a különféle gének a szükségletnek megfelelően kapcsoljanak be, vagy ki, és éppen olyan intenzitással „ működjenek ”, amilyenre szükség van? Miként lehetséges az, hogy miközben az ún. háztartási gének minden sejtünkben aktívak, olyan génjeink is vannak amelyek csak az egyedfejlődés megfelelő szakaszában, a megfelelő sejttípusban fejeződnek ki? Mi, és miként szabályozza a gének kifejeződését? Az írás a génkifejeződés szabályozásának varázslatos világába ad bepillantást, és megmutatja, hogy a DNS-nek nemcsak olyan szakaszai vannak, amelyek a különféle fehérjeféleségek képződését kódolják, hanem olyanok is, amelyek szabályozzák a gének kifejeződését. Egyszerűen, megbízhatóan. Köztudott, hogy a sejtek az élet alapvető szerveződési és funkcionális egységei. A sejtek arculatát, funkcióit az őket alkotó fehérje molekulák határozzák meg. Mindenki tudja, hogy a fehérjék a DNS-ben kódolt genetikai információ nyomán képződnek. Úgy, hogy egy gén egy fehérjeféleség képződését kódolja. Ha tudjuk, hogy hány gén van valamely faj genomjában, és hogy hány fehérjeféleség van egy sejtjében, kiderül, hogy a géneknek csak kis hányada aktív. A többi miért nem? Azok miért nem működnek? Mi tartja őket kikapcsolva? Hogyan lehet őket bekapcsolni? Mi határozza meg, hogy milyen erősen működjenek? A továbbiakban az itt megfogalmazott kérdésekre talál választ az olvasó. A génkifejeződés szabályozása baktériumokban 1. Az indukálható operon* Ha olyan környezetben tartunk baktériumokat, amelyben nincs tejcukor (laktóz), a sejtek mindegyikében csupán néhány p-galaktozidáz enzim molekula van. Ha a tápoldatba tejcukrot teszünk, a sejtek p-galaktozidáz 1. ábra. A tejcukor indukálja a p-galaktozidáz enzim képződését. Ha tejcukor kerül a baktériumok tápközegébe, a sejtek p-galaktozidáz tartalma perceken belül megnő. A képződött enzimek részt vesznek a tejcukor hasznosításában. Ha elfogy a tejcukor, a baktériumok elemésztik az immáron haszontalanná vált fehérje molekulákat tartalma perceken belül növekedni kezd (1. ábra). A jelenség az ún. enzimindukció jellegzetes példája, és azt mutatja, hogy a laktóz indukálja a ß-galaktozidáz képződését. (A ßgalaktozidáz azon enzimek egyike, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a baktériumok a tejcukrot szénforrásként hasznosítsák; 2. ábra). Miután a tejcukor elfogy, a sejtek ß-galaktozidáz tartalma hamarosan csökken, és néhány perc múltán visszaáll az eredeti állapot (1. ábra). Mi történik az enzimindukció folyamán? Hogyan kapcsol be az a gén, amelynek terméke a ß-galaktozidáz fehérje? A kérdést az 1960-as évek elején Francois Jacob és Jacques Monod válaszolta meg. Munkájukat 1965-ben Nobel-díjjal jutalmazták. Az Escherichia coli bélbaktérium DNS- ének egyik szakasza az ún. Lacoperon. Olyan szakasz, amelyen belül szabályozó, valamint átíródó részeket szokás elkülöníteni. A szabályozó szakasz két további részre osztható: a promóterre* és az operátorra*. A promóterhez és az operátorhoz olyan fehérjemolekulák kapcsolódnak, amelyek szabályozzák az operon működését: az RNS polimeráz, amely tevékenysége nyomán az mRNS képződik, a represszor fehérje, amely az operátorhoz kapcsolódhat, és a katabolit-aktivátor fehérje. A represszor fehérje annak az i génnek a terméke, amely folyamatosan kifejeződik, „gondoskodik” arról, hogy a sejtekben mindig legyen represszor fehérje, mindenkor készen álljanak a tejcukor hasznosítására. Nos, a Lacoperon a következő mechanizmus szerint „működik”. Amennyiben nincs tejcukor a tápközegben, a represszor fehérje az operátorhoz kapcsolódik, és megakadályozza, hogy az RNS polimeráz átírja az operon strukturális részét (3. ábra). Ilyenkor az operon zárva van, hisz’ nem képződnek róla olyan fehérjék, amelyek a tejcukor hasznosításához szükségesek. Ha van tejcukor, az kötődik a represszor fehérjéhez, és úgy változtatja meg annak szerkezetét, hogy nem tud kapcsolódni az operátorhoz. Ha nincs az operátoron akadály, az RNS polimeráz átírja az operont, az kinyílik, a benne levő gének kifejeződnek, a baktérium hasznosíthatja a tejcukrot (3. ábra). Miután elfogy a tejcukor, a represszor fehérje visszanyeri eredeti szerkezetét, kapcsolódik az operátorral, és bezárja az operont. A Lac operon szabályozó szakasza 105 2. ábra. A Lac operon szerveződése. A promoter és az operátor szakaszok alkotják az operon ún. szabályozó, a LacZ, a LacY, valamint a LacA gének strukturális részét. A Lac operon olyan ún. poligénikus mRNS képződését kódolja, amely alapján három fehérjeféleség képződik. Mindháromnak a tejcukor hasznosításában van szerepe. Figyelem: az i gén nem része a Lac operonnak! Ritka kivételként tőszomszédja annak az operonnak, amely kifejeződését terméke (a represszor fehérje) szabályozza -------------- Lac operon ----------------‹ ~5 £ 11 g ›L‹ f , i gén g- LacZ gen Lac Y gen LacA gén DNS*=g In i i l> \ transzkripció mRNS----------------------------------------------------------*> f transzláció Fehérjék mmhmmm p-galaktozidáz permeáz transzacetiláz Természettudományi Közlöny 138. évf. 11. füzet