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

Next