Տեղեկատվություն

13.15. Պրոկարիոտների գեների կարգավորումը աշխատանքի մեջ - Կենսաբանություն

13.15. Պրոկարիոտների գեների կարգավորումը աշխատանքի մեջ - Կենսաբանություն


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ինչպես նոր իմացանք, կան երեք տեսակի կարգավորող մոլեկուլներ, որոնք կարող են ազդել օպերոնների արտահայտման վրա՝ ռեպրեսորներ, ակտիվացնողներ և ինդուկտորներ:

  • Ճնշողներ սպիտակուցներ են, որոնք ճնշում են գենի տառադարձումը `ի պատասխան արտաքին գրգռիչի: Այլ կերպ ասած, ռեպրեսորը գենը «անջատված» է պահում:
  • Ակտիվացնողներ սպիտակուցներ են, որոնք մեծացնում են գենի տառադարձումը `ի պատասխան արտաքին գրգռիչի: Այլ կերպ ասած, ակտիվացնողը «միացնում է» գենը:
  • Ինդուկտորներ փոքր մոլեկուլներ են, որոնք կամ ակտիվացնում կամ ճնշում են տառադարձումը `կախված բջջի կարիքներից և ենթաշերտի առկայությունից: Ինդուկտորները հիմնականում օգնում են արագացնել կամ դանդաղեցնել «միացնելը» կամ «անջատելը» ՝ կապվելով ճնշողի կամ ակտիվացնողի հետ: Այլ կերպ ասած, նրանք միայնակ չեն աշխատում:

Ստորև բերված ինտերակտիվում մենք կկենտրոնանանք ակտիվացնողների և ճնշողների միջև եղած տարբերությունների վրա.

Այս էջի ներքևում կարելի է գտնել ինտերակտիվ տարրերի հղում:

Սեղմեք այստեղ գործունեության տեքստային տարբերակի համար:


Ինչպես է գենի արտահայտումը կարգավորվում պրոկարիոտներում և էուկարիոտներում

Գենի արտահայտումը ԴՆԹ -ի ՌՆԹ -ի տառադարձման գործընթացն է, որին հաջորդում է սպիտակուցների թարգմանությունը: Այն սերտորեն կարգավորվող գործընթաց է և՛ պրոկարիոտների, և՛ էուկարիոտների մոտ: Գենի արտահայտման կարգավորումը ներառում է գենային արտադրանքի ավելացված կամ նվազած քանակի արտադրություն: Գեների արտահայտման կարգավորման մեջ ներգրավված է մեխանիզմների լայն շրջանակ:

  1. Կրկնօրինակման մակարդակ - Մուտացիաները կարող են առաջացնել գենի արտահայտման փոփոխություն:
  2. Տառադարձության մակարդակ – Ակտիվատորներն ու ռեպրեսորները կարգավորում են տառադարձումը:
  3. Հետծրագրային մակարդակ – ՌՆԹ զուգավորումը մասնակցում է գեների արտահայտման կարգավորմանը հետտրանսկրիպցիոն մակարդակում:
  4. Թարգմանական մակարդակ – mRNA մոլեկուլի թարգմանությունը սպիտակուցի ամինաթթուների հաջորդականության վերահսկվում է տարբեր գործընթացներով, ինչպիսիք են ՌՆԹ-ի միջամտության ուղին:
  5. Հետ-թարգմանական մակարդակ -Սպիտակուցի սինթեզը կարող է կարգավորվել `հետթարգմանական փոփոխությունների վերահսկմամբ:

Geneույց են տրված գենի արտահայտման կարգավորման տարբեր մակարդակներ նկար 1.

Գծապատկեր 1. Գենի արտահայտման կարգավորում


80 Պրոկարիոտիկ գենի կանոնակարգ

Այս բաժնի ավարտին դուք կկարողանաք անել հետևյալը.

  • Նկարագրեք պրոկարիոտային գեների կարգավորման հետ կապված քայլերը
  • Բացատրեք ակտիվացնողների, ինդուկտորների և ճնշողների դերը գենի կարգավորման մեջ

Պրոկարիոտների ԴՆԹ-ն կազմակերպված է շրջանաձև քրոմոսոմի մեջ, որը գերոլորված է բջջային ցիտոպլազմայի նուկլեոիդ շրջանում: Սպիտակուցները, որոնք անհրաժեշտ են որոշակի գործառույթի համար կամ ներգրավված են նույն կենսաքիմիական ուղու մեջ, կոդավորված են միասին `օպերոններ կոչվող բլոկներում: Օրինակ, լակտոզան որպես էներգիայի աղբյուր օգտագործելու համար անհրաժեշտ բոլոր գեները կոդավորված են լակտոզայի մեջ (կամ լաք) օպերոն և տառադարձված մեկ mRNA- ի մեջ:

Պրոկարիոտային բջիջներում կան երեք տեսակի կարգավորիչ մոլեկուլներ, որոնք կարող են ազդել օպերոնների արտահայտման վրա ՝ ճնշողներ, ակտիվացնողներ և ինդուկտորներ: Repնշիչներն ու ակտիվացնողները բջիջներում արտադրվող սպիտակուցներ են: Թե՛ ճնշողները, և թե՛ ակտիվացնողները կարգավորում են գենի արտահայտումը `կապվելով ԴՆԹ -ի որոշակի վայրերի հետ հարակից դեպի իրենց վերահսկած գեները: Ընդհանուր առմամբ, ակտիվացուցիչները կապվում են խթանող կայքի հետ, մինչդեռ ճնշողները կապվում են օպերատորի շրջանների հետ. Ռեպրեսորները կանխում են գենի տրանսկրիպցիան՝ ի պատասխան արտաքին գրգռիչի, մինչդեռ ակտիվացնողները մեծացնում են գենի տրանսկրիպցիան՝ ի պատասխան արտաքին գրգռիչի։ Ինդուկտորները փոքր մոլեկուլներ են, որոնք կարող են արտադրվել բջիջի կողմից կամ գտնվում են բջջի միջավայրում: Ինդուկտորները կա՛մ ակտիվացնում, կա՛մ ճնշում են տրանսկրիպցիան՝ կախված բջջի կարիքներից և սուբստրատի առկայությունից:

Այն trp Օպերոն. Ճնշվող Operon

Բակտերիաներ, ինչպիսիք են Էշերիխիա կոլի գոյատևման համար անհրաժեշտ են ամինաթթուներ և կարողանում են սինթեզել դրանցից շատերը: Տրիպտոֆանը այնպիսի ամինաթթուներից մեկն է, որը E. coli կարող է կամ կլանել շրջակա միջավայրից կամ սինթեզել ՝ օգտագործելով հինգ գեներով կոդավորված ֆերմենտներ: Այս հինգ գեները միմյանց կողքին են, ինչ կոչվում է տրիպտոֆան (trp) օպերոն ((նկար)): Գեները փոխակերպվում են մեկ mRNA- ի մեջ, որն այնուհետև թարգմանվում է ՝ արտադրելու բոլոր հինգ ֆերմենտները: Եթե ​​տրիպտոֆանն առկա է շրջակա միջավայրում, ապա E. coli կարիք չունի սինթեզելու այն և trp օպերոնը անջատված է: Այնուամենայնիվ, երբ տրիպտոֆանի առկայությունը ցածր է, օպերոնը վերահսկող անջատիչը միացված է, mRNA- ն տառադարձվում է, ֆերմենտային սպիտակուցները թարգմանվում են և տրիպտոֆանը սինթեզվում:


Այն trp օպերոնը ներառում է երեք կարևոր շրջան ՝ կոդավորման շրջան, trp օպերատորը և trp խթանող Կոդավորման շրջանը ներառում է տրիպտոֆանի կենսասինթեզի հինգ ֆերմենտների գեները: Կոդավորման շրջանից անմիջապես առաջ տառադարձման մեկնարկի կայքն է: Խթանող հաջորդականությունը, որին ՌՆԹ պոլիմերազը կապվում է տառադարձումը սկսելու համար, գտնվում է տառադարձման մեկնարկային վայրի առաջ կամ «վերևում»: Խթանողի և սղագրման մեկնարկային վայրի միջև գտնվում է օպերատորի տարածաշրջանը:

Այն trp օպերատորը պարունակում է ԴՆԹ կոդը, որին trp ճնշող սպիտակուցը կարող է կապվել: Այնուամենայնիվ, միայն ճնշողը չի կարող կապվել օպերատորի հետ: Երբ տրիպտոֆանը առկա է բջիջում, տրիպտոֆանի երկու մոլեկուլ կապվում է դրա հետ trp ռեպրեսոր, որը փոխում է ճնշող սպիտակուցի ձևը մի ձևի, որը կարող է կապվել trp օպերատոր: Տրիպտոֆան-ռեպրեսորային համալիրի կապումը օպերատորի մոտ ֆիզիկապես խանգարում է ՌՆԹ պոլիմերազին միանալու պրոմոտորին և արտագրելու հոսանքով ներքևող գեները:

Երբ տրիպտոֆանը բացակայում է բջիջում, ռեպրեսորն ինքնին չի կապվում օպերատորին, պոլիմերազը կարող է տառադարձել ֆերմենտի գեները, և տրիպտոֆանը սինթեզվում է։ Քանի որ ճնշող սպիտակուցը ակտիվորեն կապվում է օպերատորի հետ ՝ գեներն անջատած պահելու համար, trp ասում են, որ օպերոնը բացասաբար կարգավորվում է իսկ սպիտակուցները, որոնք կապվում են օպերատորին լռելու համար trp արտահայտությունը բացասական կարգավորիչներ են:

Դիտեք այս տեսանյութը ՝ ավելին իմանալու համար trp օպերոն.

Catabolite Activator Protein (CAP). A Transcriptional Activator

Ճիշտ այնպես, ինչպես trp Օպերոնը բացասաբար է կարգավորվում տրիպտոֆանի մոլեկուլների միջոցով, կան սպիտակուցներ, որոնք կապվում են խթանող հաջորդականություններին, որոնք գործում են որպես դրական կարգավորիչներ `գեները միացնելու և դրանք ակտիվացնելու համար: Օրինակ, երբ գլյուկոզան սակավ է, E. coli բակտերիաները վառելիքի համար կարող են դիմել շաքարի այլ աղբյուրների: Դա անելու համար այս այլընտրանքային շաքարները մշակելու նոր գեներ պետք է արտագրվեն: Երբ գլյուկոզայի մակարդակը նվազում է, ցիկլային AMP (cAMP) սկսում է կուտակվել բջջում: cAMP մոլեկուլը ազդանշանային մոլեկուլ է, որը մասնակցում է գլյուկոզի և էներգիայի նյութափոխանակությանը E. coli. Կուտակվող ճամբարը կապվում է դրական կարգավորիչ կատաբոլիտ ակտիվացնող սպիտակուցի (CAP) հետ ՝ սպիտակուց, որը կապվում է օփերոնների խթանողների հետ, որոնք վերահսկում են այլընտրանքային շաքարների մշակումը: Երբ cAMP- ը կապվում է CAP- ի հետ, այնուհետև համալիրը կապվում է գեների խթանող տարածաշրջանի հետ, որոնք անհրաժեշտ են շաքարի այլընտրանքային աղբյուրների օգտագործման համար ((նկար)): Այս օպերոններում խթանողի մեջ գտնվում է CAP- ի հետ կապված տեղանքը `RNA- պոլիմերազա-պարտադիր կայքի վերևում: CAP- ի կապը կայունացնում է RNA պոլիմերազայի կապը խթանող տարածաշրջանին և մեծացնում է հարակից սպիտակուցը ծածկագրող գեների տառադարձումը:


Այն լաք Օպերոն: Ինդուկտիվ օպերոն

Պրոկարիոտ բջիջներում գենի կարգավորման երրորդ տեսակը տեղի է ունենում միջոցով ինդուկցիոն օպերոններ, որոնք ունեն սպիտակուցներ, որոնք կապվում են ակտիվացնելու կամ ճնշելու տառադարձությունը `կախված տեղական միջավայրից և բջջի կարիքներից: Այն լաք օպերոնը տիպիկ ինդուկցիոն օպերոն է: Ինչպես արդեն նշվեց, E. coli ի վիճակի է այլ շաքարներ օգտագործել որպես էներգիայի աղբյուր, երբ գլյուկոզայի կոնցենտրացիան ցածր է: Նման շաքարի աղբյուրը կաթնաշաքարն է: Այն լաք օպերոնը կոդավորում է այն գեները, որոնք անհրաժեշտ են լակտոզը տեղական միջավայրից ձեռք բերելու և մշակելու համար: -ի Z գենը լաք օպերոնը կոդավորում է բետա-գալակտոսիդազը, որը լակտոզը բաժանում է գլյուկոզայի և գալակտոզայի:

Այնուամենայնիվ, հանուն լաք օպերոնը ակտիվացնելու համար պետք է երկու պայման բավարարել. Նախ, գլյուկոզայի մակարդակը պետք է լինի շատ ցածր կամ չլինի: Երկրորդ, կաթնաշաքար պետք է լինի: Միայն գլյուկոզայի բացակայության և լակտոզայի առկայության դեպքում դա տեղի կունենա լաք օպերոնը տառադարձվի ((Նկար)): Գլյուկոզայի բացակայության դեպքում CAP սպիտակուցի կապը ստիպում է տառադարձել լաք Օպերոնը ավելի արդյունավետ է: Երբ առկա է կաթնաշաքար, այն կապվում է լաք ճնշող և փոխում է իր ձևը, որպեսզի չկարողանա կապվել լաք օպերատորը ՝ տառադարձումը կանխելու համար: Պայմանների այս համակցությունը բջջի համար իմաստալից է, քանի որ լակտոզայի մշակման համար ֆերմենտների սինթեզումը էներգիայի առումով անիմաստ կլիներ, եթե գլյուկոզան առատ լիներ կամ լակտոզա չկար:


Մեջ E. coli, trp Օպերոնը լռելյայն միացված է, մինչդեռ լաք օպերոնը անջատված է: Ձեր կարծիքով, ինչո՞ւ է դա այդպես:

Եթե ​​գլյուկոզան առկա է, ապա CAP- ը չի կապվում խթանող հաջորդականությանը `տառադարձումը ակտիվացնելու համար: Եթե ​​լակտոզան բացակայում է, ապա ռեպրեսորը կապվում է օպերատորի հետ ՝ կանխելու տառադարձումը: Եթե ​​այս պայմաններից որևէ մեկը բավարարված է, ապա տառադարձումը մնում է անջատված: Միայն գլյուկոզայի բացակայության և լակտոզայի առկայության դեպքում է լաք օփերոնը տառադարձված է ((Նկար)):

Ազդանշաններ, որոնք հրահրում կամ ճնշում են տառադարձումը լաք Օպերոն
Գլյուկոզա CAP- ը կապում է Լակտոզա Ռեպրեսորը կապում է Տառադարձում
+ + Ոչ
+ + Մի քանի
+ + Ոչ
+ + Այո

Դիտեք անիմացիոն ձեռնարկ ձեռնարկի աշխատանքի վերաբերյալ լաք Օպերոն այստեղ:

Բաժնի ամփոփում

Պրոկարիոտ բջիջներում գենի արտահայտման կարգավորումը տեղի է ունենում տառադարձման մակարդակում: Գոյություն ունեն երկու հիմնական տեսակի սպիտակուցներ, որոնք վերահսկում են պրոկարիոտային տառադարձումը ՝ ճնշիչներ և ակտիվացնողներ: Ռեպրեսորները կապվում են օպերատորի շրջանի հետ ՝ արգելափակելու ՌՆԹ պոլիմերազի գործողությունը: Ակտիվատորները կապվում են պրոմոտորին, որպեսզի ուժեղացնեն ՌՆԹ պոլիմերազի կապը: Ինդուկտոր մոլեկուլները կարող են մեծացնել տրանսկրիպցիան կա՛մ ռեպրեսորների ապաակտիվացման, կա՛մ ակտիվացնող սպիտակուցների միջոցով: Մեջ trp օպերոն, trp ռեպրեսորը ինքնին ակտիվանում է տրիպտոֆանի հետ կապվելու միջոցով: Հետևաբար, եթե տրիպտոֆանն անհրաժեշտ չէ, ռեպրեսորը կապված է օպերատորի հետ, և արտագրումը մնում է անջատված: Այն լաք օպերոնն ակտիվանում է CAP-ով (կատաբոլիտ ակտիվացնող սպիտակուց), որը կապվում է պրոմոտորին` կայունացնելու ՌՆԹ պոլիմերազային կապը: CAP- ն ինքնին ակտիվանում է cAMP- ով, որի կոնցենտրացիան բարձրանում է գլյուկոզայի կոնցենտրացիայի նվազման հետ մեկտեղ: Այնուամենայնիվ, լաք Օպերոնը նաև պահանջում է կաթնաշաքարի առկայությունը տրանսկրիպցիայի համար: Լակտոզան անգործունեցնում է լաք ռեպրեսոր, և կանխում է ռեպրեսորային սպիտակուցի միացումը լաք օպերատոր. Երբ ռեպրեսորն ապաակտիվացված է, տառադարձումը կարող է շարունակվել: Հետևաբար, գլյուկոզան պետք է բացակայի, իսկ լակտոզան պետք է ներկա լինի դրա արդյունավետ արտագրման համար լաք օպերոն.

Տեսողական կապի հարցեր

(Նկար) In E. coli, trp Օպերոնը լռելյայն միացված է, մինչդեռ լաք օպերոնը անջատված է: Ինչո՞ւ եք կարծում, որ դա այդպես է։

(Նկար) Տրիպտոֆանը ամինաթթու է, որն անհրաժեշտ է սպիտակուցներ պատրաստելու համար, ուստի բջիջը միշտ պետք է ունենա որոշ ձեռքի տակ: Այնուամենայնիվ, եթե առկա է մեծ քանակությամբ տրիպտոֆան, ավելորդ է դարձնել ավելորդ, և դրա արտահայտությունը trp ընկալիչը ճնշված է: Կաթնաշաքար, որը գտնվում է կաթի մեջ, միշտ չէ, որ հասանելի է: Անիմաստ է դարձնել այն ֆերմենտները, որոնք անհրաժեշտ են էներգիայի աղբյուրը մարսելու համար, որն անհասանելի է, ուստի լաք օպերոնը միացված է միայն այն դեպքում, երբ առկա է կաթնաշաքար:

Վերանայման հարցեր

Եթե ​​գլյուկոզան բացակայում է, բայց լակտոզան նույնպես, ապա լաք օպերոնը կլինի ________:

Պրոկարիոտ բջիջները չունեն կորիզ: Հետևաբար, պրոկարիոտ բջիջների գեներն են.

  1. բոլորը արտահայտված, ամբողջ ժամանակ
  2. գրեթե միաժամանակ արտագրված և թարգմանված
  3. տառադարձությամբ վերահսկվում է, քանի որ թարգմանությունը սկսվում է մինչ տառադարձման ավարտը
  4. b և c երկուսն էլ ճշմարիտ են

Այն արա օպերոնը ինդուկցիոն օպերոն է, որը վերահսկում է շաքարավազի արաբինոզայի արտադրությունը: Երբ արաբինոզը առկա է մանրէի մեջ, այն կապվում է AraC սպիտակուցի հետ, իսկ համալիրը կապվում է նախաձեռնող տարածքի հետ ՝ տառադարձումը խթանելու համար: Այս սցենարում AraC- ն a (n) ________ է:

Քննադատական ​​մտածողության հարցեր

Նկարագրեք, թե ինչպես է պրոկարիոտիկ բջիջներում տառադարձումը կարող փոխվել արտաքին խթանման միջոցով, ինչպիսին է շրջակա միջավայրում ավելորդ լակտոզան:

Շրջակա միջավայրի գրգռիչները կարող են մեծացնել կամ առաջացնել տառադարձում պրոկարիոտ բջիջներում: Այս օրինակում շրջակա միջավայրի կաթնաշաքարն առաջ կբերի տառադարձումը լաք օպերոն, բայց միայն այն դեպքում, երբ գլյուկոզան հասանելի չէ շրջակա միջավայրում:

Ո՞րն է տարբերությունը ճնշվող և ինդուկտիվ օպերոնի միջև:

Repնշվող օպերոնը օգտագործում է սպիտակուցը, որը կապված է գենի խթանող շրջանի հետ `գենը ճնշված կամ լուռ պահելու համար: Այս ռեպրեսորը պետք է ակտիվորեն հեռացվի գենը արտագրելու համար: Ինդուկտիվ օպերոնը կա՛մ ակտիվանում է, կա՛մ ճնշվում՝ կախված բջջի կարիքներից և տեղական միջավայրում առկաներից:

Բառարան


Proառանգություն. Պրոկարիոտների և էուկարիոտների գենային արտահայտման կարգավորում

Ժառանգություն

Խելացի մեխանիզմները անջատում և միացնում են գեները, որպեսզի դրանք գործեն միայն այն դեպքում, երբ իրենց ծառայությունների կարիքը կա:

Պրոկարիոտները և Օպերոնի մոդելը

Պրոկարիոտները զգայուն են իրենց միջավայրի նկատմամբ, և նրանց գենետիկական ակտիվությունը վերահսկվում է հատուկ սպիտակուցներով, որոնք անմիջականորեն փոխազդում են նրանց ԴՆԹ-ի հետ՝ արագ հարմարվելու շրջակա միջավայրի փոփոխություններին: Գենետիկական արտահայտություն այն գործընթացն է, երբ գեներում կոդավորված գենոտիպերը ցուցադրվում են անհատների ֆենոտիպերով: ԴՆԹ -ն պատճենվում է ՌՆԹ -ի կողմից, այնուհետև սինթեզվում սպիտակուցի մեջ: Տրանսկրիպցիայի գործընթացը, որը ԴՆԹ -ի կաղապարից ՌՆԹ -ի սինթեզն է, ամենայն հավանականությամբ տեղի է ունենում գենի արտահայտման կարգավորումը: Պրոկարիոտների կանխադրված պարամետրը, ըստ երևույթին, թույլ է տալիս շարունակել սպիտակուցի սինթեզը, մինչդեռ էուկարիոտներում համակարգը սովորաբար անջատված է մինչև ակտիվացումը:

Օպերոնը գեների ինքնակարգավորվող շարք է, որոնք աշխատում են համահունչ: Օպերոնը ներառում է գեների հատուկ հատված, որոնք հանդիսանում են սպիտակուցի սինթեզը կարգավորող, բայց չեն ծածկագրում սպիտակուցը, որը կոչվում է խթանող և օպերատոր: Այս հատվածները համընկնում են, և դրանց փոխազդեցությունը որոշում է, թե արդյոք գործընթացը կսկսվի և երբ այն կդադարի: ՌՆԹ պոլիմերազը պետք է ստեղծի ՌՆԹ ՝ քրոմոսոմի երկայնքով շարժվելով և? արտագրման գործընթացում գտնվող գեները:

ՌՆԹ պոլիմերազան նախ կցվում է խթանող հատվածին, որը ազդանշան է տալիս ԴՆԹ -ի որոշակի հաջորդականության սկիզբին: Եթե ​​արգելափակված չէ, այն անցնում է օպերատորի վրայով և հասնում սպիտակուց արտադրող գեներին, որտեղ ստեղծում է mRNA, որը ռիբոսոմներին հրահանգում է ստեղծել ցանկալի սպիտակուցը: Այս գործընթացը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև համակարգը արգելափակվի ռեպրեսորային սպիտակուցներ. Ռեպրեսորները կապվում են օպերատորի հետ և կանխում են ՌՆԹ պոլիմերազի կողմից mRNA- ի ստեղծումը `արգելելով սպիտակուց արտադրող մնացած գեների մուտքը: Քանի դեռ ճնշիչը կապվում է օպերատորի հետ, սպիտակուցներ չեն արտադրվում: Այնուամենայնիվ, երբ ան ինդուկտոր առկա է, այն կապվում է ռեպրեսորի հետ, ինչի հետևանքով ռեպրեսորը փոխում է ձևը և ազատվում օպերատորից: Երբ դա տեղի ունենա, ՌՆԹ պոլիմերազը կարող է շարունակել տրանսկրիպցիան, իսկ սպիտակուցների սինթեզը սկսվում և շարունակվում է, մինչև որ մեկ այլ ռեպրեսոր կապվի օպերատորի հետ: Տես նկարազարդումը Տառադարձման կարգավորումը.

Այն լաք Օպերոնի մոդելը, հավանաբար, ամենաուսումնասիրվածն ու ամենահայտնին է: Մանրէների դեպքում, ինչպես E. coli- ն, երեք գեն օփերոնի մի մասն է, որը ծածկագրում է երեք առանձին ֆերմենտներ, որոնք անհրաժեշտ են լակտոզայի ՝ պարզ շաքարի քայքայման համար: Ա կարգավորող գեն, որը գտնվում է օպերոնից առաջ, անընդհատ ստեղծում է ռեպրեսորային սպիտակուցներ, որոնք կապվում են օպերատորի հետ և արգելում ՌՆԹ պոլիմերազի գործառույթը։ Համակարգը, հետևաբար, անջատված է մնում այնքան ժամանակ, մինչև լակտոզայի մոլեկուլների հոսքը միանա բոլոր հասանելի ռեպրեսորներին և կանխի դրանց կցումը օպերատորին: Երբ օպերատորն ազատ է, լակտոզը քայքայող ֆերմենտի արտադրությունը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև լակտոզայի մոլեկուլներից բավականաչափ քայքայվելը, այնուհետև ազատվել ճնշիչներից ՝ օպերատորի հետ վերամիավորվելու համար ՝ դադարեցնելու ֆերմենտների արտադրությունը:

Գոյություն ունեն օպերոնների երկու լրացուցիչ տեսակներ, որոնք գործում են նույն կերպ, բացառությամբ օպերատորի գործառույթի: Այն trp Օպերոնը տարբերվում է նրանով, որ ռեպրեսորն ակտիվ է միայն այն դեպքում, երբ կապված է որոշակի մոլեկուլի հետ: Մնացած ժամանակահատվածում այն ​​մնում է չկապված և անգործուն այդ մոլեկուլի բացակայության դեպքում: Ի վերջո, դրական շրջադարձով, ակտիվացնողներ օգտագործվում են օպերոնի երրորդ տեսակի կողմից՝ ուղղակիորեն կապվելու ԴՆԹ-ի հետ, ինչը թույլ է տալիս ՌՆԹ պոլիմերազին ավելի արդյունավետ աշխատել: Ակտիվատորների բացակայության դեպքում ՌՆԹ պոլիմերազը ընթանում է դանդաղ տեմպերով:

Էուկարիոտներ. Գենի կարգավորման բազմաթիվ մոդելներ

Ի տարբերություն պրոկարիոտների, գենը կարգավորող բազմաթիվ մեխանիզմներ գործում են միջուկում ՝ ՌՆԹ-ի տառադարձումից առաջ և հետո, իսկ ցիտոպլազմայում ՝ ինչպես թարգմանությունից առաջ, այնպես էլ հետո:

Հիստոններ փոքր սպիտակուցներ են ՝ փաթեթավորված ԴՆԹ -ի կրկնակի պարուրակի մոլեկուլային կառուցվածքի ներսում: Հիստոնի ամուր փաթեթավորումը թույլ չի տալիս ՌՆԹ պոլիմերազային շփումը և տառադարձումը ԴՆԹ -ի հետ: Սպիտակուցների սինթեզի ընդհանուր վերահսկողության այս տեսակը կարգավորվում է գեների կողմից, որոնք վերահսկում են հիստոնների փաթեթավորման խտությունը: X- քրոմոսոմների անգործություն տեղի է ունենում, երբ կանանց X քրոմոսոմի խիտ փաթեթավորումը լիովին կանխում է նրա գործառույթը նույնիսկ միջփազային փուլում: Այս տեսակի անգործությունը ժառանգական է և սկսվում է սաղմնային զարգացման ընթացքում, որտեղ X քրոմոսոմներից մեկը պատահականորեն փաթեթավորված է ՝ այն կյանքի համար անգործուն դարձնելով:

Ակտիվատոր-ուժեղացնող համալիր եզակի է էուկարիոտների մեջ, քանի որ նրանք սովորաբար պետք է ակտիվացվեն սպիտակուցի սինթեզ սկսելու համար, ինչը պահանջում է օգտագործել արտագրման գործոններ և ՌՆԹ պոլիմերազա: Ընդհանուր առմամբ, էուկարիոտիկ սպիտակուցի սինթեզի գործընթացը ներառում է չորս քայլ.

  1. Ակտիվացնողները ՝ արտագրման գործոնի հատուկ տեսակ, կապվում են ուժեղացուցիչներ, որոնք ԴՆԹ -ի առանձին միավորներ են, որոնք գտնվում են քրոմոսոմի երկայնքով տարբեր կետերում:
  2. Ակտիվացնող-ուժեղացնող համալիրը թեքում է ԴՆԹ-ի մոլեկուլն այնպես, որ տրանսկրիպցիոն լրացուցիչ գործոններն ավելի լավ մուտք ունենան օպերատորի վրա կապող վայրեր:
  3. Լրացուցիչ տրանսկրիպցիոն գործոնների կապը օպերատորին թույլ է տալիս ավելի մեծ մուտք գործել ՌՆԹ պոլիմերազի կողմից, որն այնուհետև սկսում է տառադարձման գործընթացը:
  4. Լռեցուցիչներ հանդիսանում են ճնշող սպիտակուցի տեսակ, որն արգելափակում է տառադարձումը այս պահին ՝ կապվելով ԴՆԹ -ի որոշակի նուկլեոտիդային հաջորդականությունների հետ:

ՌՆԹ -ի վերամշակումն ու փաթեթավորումը ինչպես միջուկում, այնպես էլ ցիտոպլազմայում տալիս է ևս երկու հնարավորություն, որպեսզի գենի կարգավորումը տեղի ունենա տառադարձումից հետո, բայց թարգմանությունից առաջ:

ՌՆԹ -ին լրացուցիչ պաշտպանիչ գլխարկ և պոչ ավելացնելով ՝ ՌՆԹ -ն ռիբոսոմների կողմից ճանաչվում է որպես mRNA և կանխում բջիջների ֆերմենտների քայքայումը, երբ այն միջուկից շարժվում է դեպի ցիտոպլազմա:

ՌՆԹ -ի միացում տեղի է ունենում, երբ ?բացեր? ոչ սպիտակուցային ծածկագիր կրող նուկլեոտիդներից, որոնք կոչվում են ինտերոններ հեռացվում են ծածկագրող նուկլեոտիդներից, որոնք կոչվում են էկզոններ, որոնք այնուհետև միացվում են՝ կրճատելու ՌՆԹ մոլեկուլը՝ tRNA և rRNA-ի վերածելու համար։ Ինտերոնների թիվը կարգավորում է ՌՆԹ-ի մշակման արագությունը։

Այն բանից հետո, երբ լրացուցիչ նուկլեոտիդները ավելացվել են որպես գլխարկ և պոչ և ՌՆԹ -ն միացվել է, այն շարժվում է դեպի ցիտոպլազմա, որտեղ գոյություն ունեն գենի կարգավորման լրացուցիչ մեխանիզմներ:

Առանձին mRNA մոլեկուլի երկարակեցությունը որոշում է, թե քանի անգամ այն ​​կարող է օգտագործվել և նորից օգտագործվել սպիտակուցներ ստեղծելու համար: Էուկարիոտների դեպքում mRNA- ն հակված է կայուն լինել, ինչը նշանակում է, որ այն կարող է բազմիցս օգտագործվել, ինչը արդյունավետ է, սակայն դա կանխում է էուկարիոտների ՝ արագ արձագանքման փոփոխությունները շրջակա միջավայրի խախտումների նկատմամբ: Պրոկարիոտների mRNA- ն անկայուն է, ինչը թույլ է տալիս ստեղծել նոր mRNA, որն ավելի շատ հնարավորություն ունի հարմարվելու շրջակա միջավայրի փոփոխվող պայմաններին:

Արգելակող սպիտակուցներ կանխել mRNA- ի թարգմանությունը: Դրանք անգործուն են դառնում, երբ կապվում են այն նյութի հետ, որի համար փորձում են արգելափակել արտադրությունը:

Հետ-թարգմանություն վերահսկողությունը ներառում է սպիտակուցների ընտրովի կտրում և քայքայում, որոնք կանխում են վերջնական արտադրանքի ձևավորումը: Երկու դեպքում էլ վերջնական արտադրանքը ավարտելու կամ ակտիվացնելու համար պահանջվող հորմոնը կամ ֆերմենտը կարող են անգործուն դառնալ:

Չնայած Մենդելի ժամանակներից ի վեր շատ բան է սովորել ժառանգության մասին, հիմունքները մնում են նույնը: Սեռական բազմացման դեպքում սերունդները ժառանգում են իրենց գեների կեսը հորից, իսկ կեսը `մորից: Որոշակի գենի ժառանգման հնարավորությունը կարելի է գնահատել տոհմային և Պունետ քառակուսիների միջոցով: Յուրաքանչյուր հատկություն, հատկություն կամ բնութագիր վերահսկվում է գեների կամ գեների համադրության միջոցով: Գեները կարգավորող բազմաթիվ մեխանիզմներ ակտիվացնում և ապաակտիվացնում են օրգանիզմի գործառույթները:


Ինչպե՞ս է կարգավորվում Lac Operon-ը:

Ինչպես է աշխատում lac operon- ը: Բակտերիաների կառուցվածքային գեները հիմնականում կազմակերպված են որպես կլաստերներ, որոնք բաղկացած են գեներից, որոնք կոդավորում են սպիտակուցները, որոնց գործառույթները կապված են: Նյութափոխանակության ուղու բոլոր ֆերմենտները կոդավորված են համակարգված համակարգված կարգավորվող գեների խմբում: Պարզապես դա հատուկ գենային մեքենա է:

Lac Operon-ում կան երեք կառուցվածքային գեներ, որոնք հավաքված են միասին: (Օպերոնը բակտերիալ կամ պրոկարիոտիկ գենի արտահայտման և կարգավորման միավոր է, որը ներառում է կառուցվածքային գեներ և վերահսկիչ տարրեր (կարգավորիչ գեներ), ԴՆԹ -ում, որը ճանաչվում է կարգավորող սպիտակուցներով):

Գեները ՝ Lac Z, LacY և Lac A.

Lac Z:

Lacz գենի ֆունկցիան այն է, որը կոդավորում է ֆերմենտը β- գալակտոսիդազա ֆերմենտը բ-գալակտոզիդը բաժանում է իր բաղադրիչների Շաքար, օրինակ՝ կաթնաշաքարը բաժանվում է գլյուկոզայի և գալակտոզայի՝ հետագա նյութափոխանակության համար:

Lac Y կոդերը ՝ β-գալակտոզիդ պերմեազ սա β- գալակտոզիդները տեղափոխում է բջիջ:

Lac A:

Lac A ծածկագրերը β- գալակտոզիդ տրանսասետիլազ, ֆերմենտ, որը փոխանցում է ացետիլ խումբը ացետիլից

Երեք գեների այս կլաստերի կարգավորիչ գեներն են lac I գենը, լակ Օ օպերատորը և LacP խթանող. Ամբողջ համակարգը, որը ներառում է կառուցվածքային գեները և կարգավորիչ (= վերահսկիչ) տարրերը, կազմում է ընդհանուր միավոր, որը կոչվում է Լաք Օպերոն:


Հիստոնի մեթլիացում

Հիստոնի սպիտակուցի մի մասը, որը հայտնի է որպես հիստոնի պոչ, կարող է ունենալ մեթիլ խմբեր (CH3) ավելացվել է դրան: Սա նույն փոփոխությունն է, որը կատարվում է ԴՆԹ -ի ցիտոզինային նուկլեոտիդների նկատմամբ: Հիստոնի պոչի մեջ հատուկ ամինաթթուն, որը մետիլացվում է, շատ կարևոր է որոշելու, թե արդյոք այն կխստացնի կամ կթուլացնի քրոմատինի կառուցվածքը: Պոչի մի քանի ամինաթթուների փոփոխումը փոխկապակցված է էվրոմատինի և ակտիվ տառադարձման հետ, մինչդեռ այլ ամինաթթուների փոփոխությունը փոխկապակցված է հետերոխրոմատինի և գենի լռեցման հետ: Դուք պետք է իմանաք, որ հիստոնները կարող են մեթիլացվել, բայց մենք չենք կարող օգտագործել հիստոնի մեթիլացում որպես էվչրոմատինի կամ հետերոխրոմատինի կանխատեսող:


ԴՆԹ-ի վերարտադրությունը պրոկարիոտներում

Պրոկարիոտիկ քրոմոսոմը շրջանաձև մոլեկուլ է ՝ ավելի քիչ ընդարձակ ոլորման կառուցվածքով, քան էուկարիոտիկ քրոմոսոմները: Էուկարիոտիկ քրոմոսոմը գծային է և բարձր ոլորված սպիտակուցների շուրջ: Չնայած ԴՆԹ -ի վերարտադրման գործընթացում շատ նմանություններ կան, այդ կառուցվածքային տարբերությունները որոշակի տարբերություններ են պահանջում կյանքի այս երկու ձևերում ԴՆԹ -ի վերարտադրության գործընթացում: ԴՆԹ-ի վերարտադրությունը պրոկարիոտներում լայնորեն ուսումնասիրվել է, ուստի մենք կսովորենք պրոկարիոտային ԴՆԹ-ի վերարտադրության հիմնական գործընթացը, այնուհետև կկենտրոնանանք պրոկարիոտների և էուկարիոտների միջև եղած տարբերությունների վրա:

Ինչպե՞ս է վերարտադրող մեքենան գիտի, թե որտեղից սկսել: Ստացվում է, որ կան հատուկ նուկլեոտիդային հաջորդականություններ, որոնք կոչվում են կրկնօրինակման ծագումը որտեղ սկսվում է կրկնօրինակը: E. coli իր մեկ քրոմոսոմի վրա ունի կրկնօրինակման մեկ ծագում, ինչպես պրոկարիոտների մեծ մասը (Գծապատկեր 1): Կրկնօրինակման ծագումը մոտավորապես 245 բազային զույգ է և հարուստ է AT հաջորդականություններով: Հիմնական զույգերի այս հաջորդականությունը ճանաչվում է որոշակի սպիտակուցներով, որոնք կապվում են այս կայքի հետ: Ֆերմենտը կոչվում է ուղղաթիռ քանդում է ԴՆԹ -ն ՝ ազոտական ​​բազային զույգերի միջև ջրածնային կապերը խզելով: Այս գործընթացի համար անհրաժեշտ է ATP հիդրոլիզ, քանի որ այն էներգիա է պահանջում: Երբ ԴՆԹ-ն բացվում է, Y- ձևավորված կառույցները կոչվում են կրկնօրինակման պատառաքաղներ ձևավորվում են (Գծապատկեր 1): Կրկնօրինակման սկզբում ձևավորվում են երկու կրկնօրինակման պատառաքաղներ, որոնք կրկնօրինակման ընթացքում երկարացվում են երկկողմանի: Միաշղթա կապող սպիտակուցներ (Նկար 2) ծածկել ԴՆԹ-ի միայնակ շղթաները կրկնօրինակման պատառաքաղի մոտ՝ կանխելու միաշղթա ԴՆԹ-ի ոլորումը կրկնակի պարույրի մեջ:

Գծապատկեր 1: ԴՆԹ -ի կրկնօրինակումը պրոկարիոտներում, որոնք ունեն մեկ շրջանաձև քրոմոսոմ:

Հաջորդ կարևոր ֆերմենտն է ԴՆԹ պոլիմերազ III, հայտնի է նաև որպես DNA pol III, որը նուկլեոտիդներ մեկ առ մեկ ավելացնում է աճող ԴՆԹ շղթային (Նկար 2): Նուկլեոտիդների ավելացումը պահանջում է էներգիա: Այս էներգիան ստացվում է այն նուկլեոտիդներից, որոնք ունեն երեք ֆոսֆատներ կցված: ATP- ն կառուցվածքային տեսքով ադենինային նուկլեոտիդ է, որն ունի երեք ֆոսֆատային խմբեր կցված, և երրորդ ֆոսֆատը անջատում է էներգիա: Բացի ATP-ից, կան նաև TTP, CTP և GTP: Սրանցից յուրաքանչյուրը կազմված է համապատասխան նուկլեոտիդից՝ միացված երեք ֆոսֆատներով: Երբ ֆոսֆատների միջև կապը խզվում է, ազատված էներգիան օգտագործվում է մուտքային նուկլեոտիդի և գոյություն ունեցող շղթայի միջև ֆոսֆոդիեստերային կապի ձևավորման համար:

Պրոկարիոտներում հայտնի են պոլիմերազների երեք հիմնական տեսակներ ՝ DNA pol I, DNA pol II և DNA pol III: DNA pol III- ը ԴՆԹ -ի սինթեզի համար անհրաժեշտ ֆերմենտն է DNA pol I- ը հետագայում օգտագործվում է, իսկ DNA pol II- ը ՝ հիմնականում վերանորոգման համար (սա անվանման ևս մեկ նյարդայնացնող օրինակ է, որն արվել է ոչ թե պատվերի, այլ հայտնաբերման կարգի հիման վրա): դա իմաստ ունի):

ԴՆԹ պոլիմերազան ունակ է նուկլեոտիդներ ավելացնել միայն 5 ′ դեպի 3 ′ ուղղությամբ (ԴՆԹ -ի նոր շղթան կարող է միայն երկարացվել այս ուղղությամբ): Այն պահանջում է անվճար 3 ′-OH խումբ (գտնվում է շաքարի վրա), որին կարող է ավելացնել հաջորդ նուկլեոտիդը ՝ կազմելով ֆոսֆոդիեստերային կապ 3 ′-OH վերջի և հաջորդ նուկլեոտիդի 5 ′ ֆոսֆատի միջև: Սա, ըստ էության, նշանակում է, որ այն չի կարող ավելացնել նուկլեոտիդներ, եթե ազատ 3′-OH խումբը հասանելի չէ: Հետո ինչպե՞ս է այն ավելացնում առաջին նուկլեոտիդը: Խնդիրը լուծվում է ա այբբենարան որն ապահովում է անվճար 3 ′-OH վերջը: Մեկ այլ ֆերմենտ, ՌՆԹ պրիմազա, սինթեզում է ՌՆԹ այբբենարան, որը մոտ հինգից տասը նուկլեոտիդ է երկարությամբ և լրացնում ԴՆԹ-ին։ ՌՆԹ պրիմազան չի պահանջում ազատ 3′-OH խումբ: Քանի որ այս հաջորդականությունը պարզում է ԴՆԹ -ի սինթեզը, այն համապատասխանաբար կոչվում է այբբենարան: Այժմ ԴՆԹ պոլիմերազը կարող է երկարացնել այս ՌՆԹ պրիմերը ՝ մեկ առ մեկ ավելացնելով նուկլեոտիդներ, որոնք լրացնում են կաղապարի շղթան (Գծապատկեր 2).

Գծապատկեր 2 Կրկնօրինակման պատառաքաղ է ձևավորվում, երբ հելիկազը բաժանում է ԴՆԹ-ի շղթաները վերարտադրության սկզբում: ԴՆԹ -ն հակված է ավելի ոլորուն դառնալ կրկնօրինակ պատառաքաղից առաջ: Տոպոիզոմերազը կոտրում և բարեփոխում է ԴՆԹ-ի ֆոսֆատային ողնաշարը վերարտադրության պատառաքաղից առաջ՝ դրանով իսկ ազատելով ճնշումը, որն առաջանում է այս գերոլորումից: Միաշղթա կապող սպիտակուցները կապվում են միաշղթայի ԴՆԹ-ի հետ ՝ խխունջի նորից ձևավորումը կանխելու համար: Պրիմազը սինթեզում է RNA այբբենարան: ԴՆԹ պոլիմերազ III-ն օգտագործում է այս այբբենարանը՝ դուստր ԴՆԹ-ի շարանը սինթեզելու համար: Առաջատար շղթայի վրա ԴՆԹ-ն սինթեզվում է շարունակաբար, մինչդեռ հետաձգված շղթայի վրա ԴՆԹ-ն սինթեզվում է կարճ հատվածներով, որոնք կոչվում են Օկազակիի բեկորներ: ԴՆԹ պոլիմերազա I- ն RNA այբբենարանը փոխարինում է ԴՆԹ -ով: ԴՆԹ լիգազան փակում է Օկազակիի բեկորների միջև եղած բացերը՝ միացնելով բեկորները մեկ ԴՆԹ մոլեկուլի մեջ: (վարկ. Մարիանա Ռուիս Վիլյառեալի աշխատանքի փոփոխություն)

Կրկնօրինակման պատառաքաղը շարժվում է վայրկյանում 1000 նուկլեոտիդ արագությամբ: ԴՆԹ պոլիմերազը կարող է տարածվել միայն 5′-ից 3′ ուղղությամբ, ինչը փոքր-ինչ խնդիր է առաջացնում վերարտադրության պատառաքաղում: Ինչպես գիտենք, ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրը հակահակասական է, այսինքն ՝ մեկ շղթան գտնվում է 5 ′-ից 3 ′ ուղղությամբ, իսկ մյուսը կողմնորոշված ​​է 3 ′-ից 5 ′ ուղղությամբ: Մեկ շարանը, որը լրացնում է 3′-ից մինչև 5′-ի ծնողական ԴՆԹ-ի շարանը, շարունակաբար սինթեզվում է դեպի վերարտադրման պատառաքաղը, քանի որ պոլիմերազը կարող է ավելացնել նուկլեոտիդներ այս ուղղությամբ: Այս շարունակաբար սինթեզվող շարանը հայտնի է որպես առաջատար շղթա. Մյուս շարանը, որը լրացնում է 5′-ից 3′-ի ծնողական ԴՆԹ-ն, տարածվում է վերարտադրության պատառաքաղից հեռու՝ փոքր բեկորներով, որոնք հայտնի են որպես. Օկազակիի բեկորներ, յուրաքանչյուրը պահանջում է այբբենարան՝ սինթեզը սկսելու համար: Օկազակիի բեկորները կոչվում են ճապոնացի գիտնականի անունով, ով առաջին անգամ հայտնաբերեց դրանք: Օկազակիի բեկորներով շարանը հայտնի է որպես հետամնաց շերտ.

Առաջատար տողը կարող է երկարացվել միայն մեկ այբբենարանով, մինչդեռ հետ մնացող տողին անհրաժեշտ է նոր այբբենարան Օկազակիի կարճ հատվածներից յուրաքանչյուրի համար: Կողքի շղթայի ընդհանուր ուղղությունը կլինի 3 ′ -ից 5 ′, իսկ առաջատար շղթայի ուղղությունը `5 ′ -ից 3 ′: Սպիտակուց, որը կոչվում է լոգարիթմական սեղմիչ պահում է ԴՆԹ պոլիմերազը տեղում, քանի որ այն շարունակում է ավելացնել նուկլեոտիդներ: Լոգարիթմական սեղմիչը օղակաձեւ սպիտակուց է, որը կապվում է ԴՆԹ-ի հետ եւ պահում է պոլիմերազը տեղում: Տոպոիզոմերազա կանխում է ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրի չափից ավելի ոլորումը վերարտադրման պատառաքաղից առաջ, քանի որ ԴՆԹ-ն բացվում է, դա անում է ԴՆԹ-ի պարույրում ժամանակավոր անցք առաջացնելով և այնուհետև նորից փակելով այն: Քանի որ սինթեզը շարունակվում է, ՌՆԹ պրայմերները փոխարինվում են ԴՆԹ pol I-ով, որը քայքայում է ՌՆԹ-ն և լրացնում բացերը ԴՆԹ նուկլեոտիդներով։ Նոր սինթեզված ԴՆԹ -ի (որը փոխարինեց ՌՆԹ -ի այբբենարանը) և նախկինում սինթեզված ԴՆԹ -ի միջև մնացորդները կնքվում են ֆերմենտի միջոցով ԴՆԹ լիգազ որը կատալիզացնում է ֆոսֆոդիեսթերային կապի ձևավորումը մեկ նուկլեոտիդի 3 ′-OH վերջի և մյուս հատվածի 5 ′ ֆոսֆատային վերջի միջև:

(Կարծում եմ, որ այս գործընթացը գրեթե անհնար է պատկերացնել տեքստը կարդալուց: Ես խստորեն խորհուրդ եմ տալիս դիտել մի քանի անիմացիա / տեսանյութ, ինչպիսին այստեղ կա: Գրատախտակին կան լրացուցիչ հղումներ)

Երբ քրոմոսոմն ամբողջությամբ վերարտադրվում է, ԴՆԹ-ի երկու պատճենները բջիջների բաժանման ընթացքում տեղափոխվում են երկու տարբեր բջիջներ: ԴՆԹ -ի վերարտադրության գործընթացը կարելի է ամփոփել հետևյալ կերպ.

  1. ԴՆԹ-ն քանդվում է վերարտադրության սկզբում:
  2. Helicase-ը բացում է ԴՆԹ ձևավորող վերարտադրության պատառաքաղները, որոնք տարածվում են երկու ուղղություններով:
  3. Միաշղթա կապող սպիտակուցները պատում են ԴՆԹ-ն կրկնօրինակման պատառաքաղի շուրջ ՝ կանխելու ԴՆԹ-ի հետընթացը:
  4. Տոպոիզոմերազան կապվում է տարածաշրջանում `կրկնօրինակման պատառաքաղից առաջ` կանխելու գերփշրումը (գերլարումը):
  5. Պրիմազը սինթեզում է ԴՆԹ -ի շղթային լրացուցիչ ՌՆԹ պրիմերներ:
  6. ԴՆԹ-ի պոլիմերազ III- ը սկսում է նուկլեոտիդներ ավելացնել պրիմերի 3 ′-OH (շաքար) ծայրին:
  7. Շարունակվում է թե՛ հետամնաց, թե՛ առաջատար հատվածի երկարաձգումը:
  8. ՌՆԹ պրայմերները հեռացվում են, և բացերը լրացվում են ԴՆԹ-ով ԴՆԹ pol I-ով:
  9. ԴՆԹ-ի բեկորների միջև եղած բացերը փակվում են ԴՆԹ լիգազի միջոցով:

Աղյուսակ 1. Պրոկարիոտիկ ԴՆԹ-ի վերարտադրության մեջ ներգրավված ֆերմենտները և յուրաքանչյուրի գործառույթները:

Պրոկարիոտիկ ԴՆԹ -ի կրկնօրինակում. Ֆերմենտներ և դրանց գործառույթը
Ֆերմենտ/սպիտակուց Հատուկ գործառույթ
ԴՆԹ պոլ I Էկզոնուկլեազի ակտիվությունը հեռացնում է ՌՆԹ-ի այբբենարանը և փոխարինում նոր սինթեզված ԴՆԹ-ով
ԴՆԹ պոլ II Վերանորոգման գործառույթ
ԴՆԹ pol III Հիմնական ֆերմենտ, որը նուկլեոտիդներ է ավելացնում 5 ′-3 ′ ուղղությամբ
Helicase Բացում է ԴՆԹ -ի պարույրը ՝ ազոտական ​​հիմքերի միջև ջրածնային կապերի խզման միջոցով
Լիգազ Փակում է Օկազակիի բեկորների միջև եղած բացերը՝ ստեղծելով մեկ շարունակական ԴՆԹ շղթա
Պրիմասե Սինթեզավորում է վերարտադրությունը սկսելու համար անհրաժեշտ ՌՆԹ պրիմերները
Լոգարիթմական սեղմիչ Նուկլեոտիդների ավելացման ժամանակ օգնում է պահպանել ԴՆԹ պոլիմերազը
Տոպիզոմերազ Օգնում է թեթևացնել ԴՆԹ -ի սթրեսը լիցքաթափվելիս ՝ առաջացնելով ընդմիջումներ, այնուհետև նորից կնքելով ԴՆԹ -ն
Միաշղթա կապող սպիտակուցներ (SSB) Կապում է միաշղթա ԴՆԹ-ին, որպեսզի խուսափի ԴՆԹ-ի հետադարձումից:

ԴՆԹ-ի կրկնօրինակը չափազանց լավ ուսումնասիրված է պրոկարիոտների մեջ, առաջին հերթին գենոմի փոքր չափի և առկա տարբերակների մեծ քանակի պատճառով: Էշերիխիա կոլի ունի 4,6 միլիոն բազային զույգ մեկ շրջանաձև քրոմոսոմում, և բոլորը վերարտադրվում են մոտավորապես 42 րոպեի ընթացքում՝ սկսած կրկնօրինակման մեկ սկզբնակետից և քրոմոսոմի շուրջը երկու ուղղություններով: Սա նշանակում է, որ վայրկյանում ավելացվում է մոտավորապես 1000 նուկլեոտիդ։ Գործընթացը շատ ավելի արագ է, քան էուկարիոտներում:


Նմանություններ պրոկարիոտիկ և էուկարիոտիկ գենի արտահայտման միջև

  • Պրոկարիոտիկ և էուկարիոտիկ գենի արտահայտումը գործընթացներն են, որոնք պատասխանատու են ֆունկցիոնալ սպիտակուցի արտադրության համար ՝ հիմնված գեների կողմից կոդավորված տեղեկատվության վրա:
  • Բացի այդ, երկու գործընթացներն էլ տեղի են ունենում տառադարձման և թարգմանության միջոցով:
  • Ավելին, ինչպես պրոկարիոտներում, այնպես էլ էուկարիոտներում թարգմանությունը տեղի է ունենում ցիտոպլազմում:
  • Բացի այդ, և՛ պրոկարիոտային, և՛ էուկարիոտիկ գեների արտահայտությունն ունեն հետթարգմանական փոփոխություններ՝ ներառյալ ֆոսֆորիլացումը, ացետիլացումը և այլն:

Մեթոդներ

Panaroo ալգորիթմ

Panaroo ալգորիթմը կառուցում է պանգենոմի գրաֆիկական ներկայացում, որտեղ հանգույցները գեներ են, իսկ եզրերը կապում են հանգույցները, եթե երկու գեներ հայտնվում են միմյանց հարևանությամբ առնվազն մեկ կոնտիգի վրա: Այնուհետև ալգորիթմը օգտագործում է այս սկզբնական գրաֆիկի կառուցվածքը `մի շարք մաքրման քայլեր կատարելու համար, որոնք շտկում են գենոմի ծանոթագրության մեջ առաջացած բազմաթիվ խնդիրների համար: Panaroo- ն ընդունում է GFF3 ձևաչափով ծանոթագրված հավաքույթներ, որպես ելք հանրաճանաչ Prokka ծանոթագրության խողովակաշարից [28]: Ի տարբերություն նմանատիպ pangenome ծրագրերի, Panaroo- ն փորձում է գրաֆիկում պահպանել յուրաքանչյուր գենի ամբողջ գլոբալ համատեքստը: Սա ի տարբերություն այլ ծրագրերի, ինչպիսիք են Roary- ը [4, 7, 10], որը գրաֆը կառուցելու համար օգտագործում է միայն գեները շրջապատող տեղական համատեքստը:

Նախնական գրաֆիկի ստեղծում

Գրաֆիկը կառուցելու համար Panaroo- ն CD-HIT (v4.8.1) գործարկում է բարձր հաջորդականության ինքնության շեմով (98%) [13]: Ստացված կլաստերներն այնուհետև դասակարգվում են որպես ոչ պարալոգային գենային կլաստերներ, եթե դրանք պարունակում են յուրաքանչյուր գենոմի առավելագույնը մեկ օրինակ, կամ պարալոգ կլաստերներ, եթե դրանք պարունակում են մեկ գենոմից մեկից ավելի գեն: Սկզբում ոչ պարալոգային գենային կլաստերները գրաֆիկում ներկայացված են մեկ հանգույցով, մինչդեռ պարալոգ կլաստերները բաժանվում են մեկ հանգույցի `տվյալների հավաքածուի այդ կլաստերի յուրաքանչյուր առաջացման համար: Օրինակ, եթե պարալոգի գենը հայտնվում է երկու գենոմում երկու անգամ և մեկ այլ գենոմում, սկզբնական գրաֆիկը պարունակում է այդ պարալոգը ներկայացնող հինգ հանգույց: Այնուհետև գրաֆիկը կառուցվում է՝ միացնելով կլաստերային հանգույցները, որոնց միջև եզրեր կան, եթե երկու կլաստերները հայտնվում են միմյանց հարևանությամբ ցանկացած կոնտիգի վրա: Պարալոգային հանգույցները հետ են վերածվում այն ​​առավելագույն թվով հանգույցների, որոնցում այդ գեները հայտնվում են մեկ գենոմում ՝ օգտագործելով գրաֆիկի գլոբալ համատեքստը: Վերոնշյալ օրինակում դա կհանգեցնի նրան, որ վերջնական գրաֆիկը կունենա պարալոգային հանգույցի երկու օրինակ:

Կոնտիգը ավարտվում է

Հատված հավաքները կարող են խնդիրներ առաջացնել գեների անոտացիայի ծրագրային ապահովման համար, որի պատճառով գեները հաճախ սխալ են նշում ընդմիջումների մոտ [19]: Այս կեղծ ծանոթագրությունները հայտնվում են որպես ցածր աջակցության եզրերի և հանգույցների կարճ ուղիներ, որոնք ավարտվում են 1 աստիճանի հանգույցով, որը բաժանվում է հիմնական գրաֆիկից: Այս խնդիրը լուծելու համար Panaroo- ն ռեկուրսիվ կերպով հեռացնում է 1 աստիճանի հանգույցները, որոնք գտնվում են տրված աջակցության շեմից ցածր, ինչպես նշված է Նկար 1 -ում:

Աղտոտում

Նմուշի աղտոտումից ծագող կոնտիգները, ընդհանուր առմամբ, զգալիորեն շեղվում են թիրախ տեսակների պանգենոմից: Այսպիսով, աղտոտող վարակները հակված են հանդես գալ որպես հիմնական գրաֆիկից անջատված բաղադրիչներ `ցածր աջակցությամբ: Դրանք հեռացնելու համար Panaroo-ն օգտագործում է նույն մոտեցումը, ինչ նկարագրված է կոնտիգի ծայրերի համար՝ ռեկուրսիվորեն ջնջելու ցածր աջակցվող հանգույցները մեկ աստիճանից պակաս կամ հավասար (տես Նկար 1): Այս մոտեցումն առավելություն ունի պահպանելու հազվագյուտ գեները, որոնք առկա են հիմնական գրաֆիկում ՝ հեռացնելով հավանական աղտոտիչները: Թեև դա ընդհանուր առմամբ պարզվել է, որ շատ հաջողակ է, երբեմն կարող է հանգեցնել հազվագյուտ պլազմիդների հեռացման: Մենք գտել ենք, որ անցանկալի աղմուկը հեռացնելու առավելությունները գերազանցում են զգայունության փոքր կորուստը, որն ապահովում է այս մոտեցումը: Այնուամենայնիվ, մենք տրամադրում ենք նաև երեք կարգավորում ալգորիթմի համար, որոնցում ամենազգայունը պահպանում է նման հազվագյուտ զանգերը, որոնք կարող են օգտակար լինել, երբ որևէ մեկը հետաքրքրված է հազվագյուտ պլազմիդներով:

Սխալ թարգմանության ուղղում

Շատ ծանոթագրությունների ալգորիթմներ հիմնված են ուսուցման նախնական փուլի վրա, որտեղ նրանց պարամետրերը հարմարեցված են ձեռք բերված տվյալների բազային [45-47]: Հաճախ այս ուսուցումն իրականացվում է առանձին յուրաքանչյուր գենոմի վրա: Դա այն դեպքն է, ինչ տեղի է ունենում Պրոկկա խողովակաշարում, որն օգտագործում է Անառակին ՝ գենի նախնական ծանոթագրությունը կատարելու համար [28, 45]: Սա կարող է հանգեցնել նրան, որ նույնական հաջորդականությունը տարբեր գենոմներում տարբեր կերպ է նշվում: Դա շտկելու համար Panaroo- ն ստուգում է գանգերը, որոնք գտնվում են պանգենոմի գրաֆիկում ՝ որոշելու համար, թե դրանք, ամենայն հավանականությամբ, սխալ թարգմանություններ են, շրջանակային փոփոխությունների մուտացիաներ կամ կեղծ կեղծ պատճեններ ՝ համեմատելով դրանց հաջորդականությունը նուկլեոտիդների մակարդակում: Եթե ​​երկու գենի հաջորդականությունը համընկնում են բարձր ծածկույթի և ինքնության հետ, սովորաբար ՝ համապատասխանաբար 95% և 99%, սխալ թարգմանություն է կոչվում, և ստորին աջակցությամբ գենային հանգույցը փլուզվում է ավելի բարձր աջակցությամբ հանգույցի մեջ:

Փլուզվող գենային ընտանիքներ

Գենային ընտանիքները բազմազան են տարբեր տեմպերով `դրական և մաքրող ընտրության ազդեցության պատճառով: Սա դժվարացնում է օրթոլոգիական կլաստերների սահմանման համար խիստ հաջորդականության նույնականացման շեմի ընտրությունը: Pangenome վերլուծության ծրագրերի մեծ մասը հիմնված է կամ զույգ հաջորդականության ինքնության կամ BLAST էլեկտրոնային արժեքի շեմի վրա: Այս կախվածությունը կարող է հանգեցնել ինչպես գերկլաստերի, որտեղ առանձին գենային ընտանիքները սխալ միաձուլված են, այնպես էլ գերբաժանման, որտեղ մեկ գենային ընտանիքը սխալ կերպով բաժանված է մի քանի փոքր կլաստերների: Բազմաթիվ մոտեցումներ փորձում են լուծել այս խնդիրներից առաջինը `օգտագործելով համատեքստային տեղեկատվությունը` տարբեր գենային հարևաններ ունեցող կլաստերները բաժանելու համար [4, 6]: Վերջերս առաջարկվել են այլընտրանքներ, որոնք օգտագործում են կլաստերավորումը ավելի ցածր շեմերում, որին հաջորդում են բաժանման ավելի ներգրավված տեխնիկան [7, 8]: Որպես այլընտրանք այս մոտեցումներին, մենք ընդլայնում ենք գենային համատեքստի օգտագործման գաղափարը գերբաժանման խնդրի վրա: Panaroo-ն օգտագործում է գենային համատեքստային տեղեկատվություն՝ փլուզելու տարբեր գենային ընտանիքներ, որոնք սխալ կերպով բաժանվել են բազմաթիվ կլաստերների նախնական պանգենոմի գրաֆիկի ստեղծման ժամանակ: Նախնական գենային կլաստերները, որոնք գրաֆիկում կիսում են ընդհանուր հարևանը, համեմատվում են զույգերի հաջորդականության ավելի ցածր շեմի հետ (կանխադրված 70%): Եթե ​​դրանք ընկնում են այս շեմի սահմաններում, երկու հանգույցները քանդվում են, և արդյունքում ստացված հանգույցը նշվում է `նշելով, որ այն բաղկացած է ավելի բազմազան ընտանիքից: Մենք պարզեցինք, որ այս լրացուցիչ համատեքստային տեղեկատվության օգտագործումը հանգեցնում է ավելի ամուր կլաստերների:

Բացակայող գեների նույնականացում

Նախորդ pangenome խմբավորման ծրագրային գործիքները չեն կարողանում բացահայտել բաց թողնված ծանոթագրությունները: Գենային անոտացիաները կարող են կորցնել մոդելի ուսուցման փոփոխականության, մասնատված հավաքների և սխալ հավաքների պատճառով: Panaroo-ն լուծում է այս խնդիրը՝ նույնացնելով պանգենոմի գրաֆիկի զույգ հանգույցները, որտեղ մեկ հանգույց կա գենոմում, իսկ դրա հարևանը՝ ոչ: Այնուհետեւ պոտենցիալ բացակայող հանգույցը որոնվում է հարեւան հանգույցը շրջապատող հաջորդականությամբ: Եթե ​​բավարար ծածկույթի և ինքնության համընկնում է հայտնաբերվում, գրաֆիկը շտկվում է ՝ ներառելով այս գենոմում այս բաց թողնված գենի ծանոթագրությունը: Հավասարեցման գործիքը edlib (v1.3.4) օգտագործվում է այս որոնումները կատարելու համար, ինչը հնարավորություն է տալիս միլիոնավոր ստուգումներ ողջամիտ ժամկետներում [24]:

Արդյունք

Գործող կենսաինֆորմատիկայի խողովակաշարերի հետ պարզ ինտեգրման հնարավորություն տալու համար Panaroo- ն թողարկում է Roary- ի նույն ձևաչափերից շատերը: Սա ներառում է նույն գենի առկայության/բացակայության ֆայլի ձևաչափը, ինչպես նաև հիմնական և օժանդակ գենոմների հավասարումները, որոնք ստեղծվել են MAFFT, Prank կամ Clustal Omega- ի միջոցով [48-50]: Բացի այդ, Panaroo- ն թողարկում է GML ձևաչափով լիովին ծանոթացված պանգենոմային գրաֆիկ `Cytoscape- ում հեշտ դիտելու համար [25]: Յուրաքանչյուր գենային հանգույց և եզր նշում են այն գենոմները, որոնց պատկանում է, ինչպես նաև Prokka-ի կողմից տրված գենային անոտացիաները, գեների հաջորդականությունը և այն, թե արդյոք հանգույցը դասակարգվել է որպես պարալոգ, թե ոչ: Այս գրաֆիկական ձևաչափը արժեքավոր գործիք է տալիս Panaroo- ի արդյունքները տեսողականորեն ստուգելու համար: Քանի որ Panaroo- ն փորձում է կառուցել ամբողջ pangenome գրաֆիկը, այլ ոչ թե օգտագործել միայն տեղական համատեքստը, այս գրաֆիկը ի վիճակի է ապահովել նմանատիպ գործիքների բազմաթիվ արդյունքների մեջ թաքնված պատկերացումներ, ինչպիսիք են Roary- ը [4]:

Կառուցվածքային տատանումներ

Քանի որ Panaroo- ն կառուցում է ամբողջ pangenome գրաֆիկը, հնարավոր է դուրս գալ գենի առկայությունից/բացակայությունից և դիտել գրաֆիկի հիմքում ընկած կառուցվածքը: Այս կառուցվածքի վերլուծությունը հեշտացնելու համար Panaroo-ն ստեղծում է գենային եռյակի առկայության/բացակայության մատրիցա, որը ցույց է տալիս, երբ երեք գեներ կան գենոմի երկայնքով ճանապարհին: Սա ցույց է տրված Նկար 5ա-ում, և ստացված ներկայության/բացակայության մատրիցը կարող է օգտագործվել ասոցիացիայի ուսումնասիրություններում՝ ուսումնասիրելու տեսակների գենոմների միջև վերադասավորումների տարբերությունները: Յուրաքանչյուր եռյակի համատեքստը այնուհետև կարող է վերլուծվել ՝ դիտելով Cytoscape- ի ամբողջական գրաֆիկը:

Նախնական և հետամշակման

Panaroo խողովակաշարը փաթեթավորված է մի շարք նախնական և հետմշակման սցենարներով՝ պանգենոմների վերլուծության համար: Մենք ներառել ենք հանրաճանաչ Mash և Mash էկրանի ալգորիթմների մի փաթաթան, որն առաջացնում է որակի վերահսկման ախտորոշիչ գծապատկերներ նախքան Panaroo խողովակաշարը գործարկելը [51, 52]: Այս սյուժեները ներառում են բազմաչափ մասշտաբային (MDS) պրոյեկցիա՝ զույգ Mash հեռավորությունների, ինտերակտիվ գծապատկերներ՝ աղտոտվածությունը հետազոտելու համար, ինչպես նաև գեների և կոնտիգերի քանակը:

Բացի այդ, մենք ներառել ենք հետամշակման սցենարներ `գենների շահույթի և կորստի տեմպերը գնահատելու համար` օգտագործելով անսահման շատ գեների (IMG) մոդելը [41, 53] և [8, ​​53] -ի վերջնականապես շատ գեների (FMG) մոդելը: Դրանք գերադասելի են կուտակման կորերի գծագրման սովորական պրակտիկայից `նշելու պանգենոմի չափը, քանի որ դրանք հաշվի են առնում ընտրանքային մեկուսացվածների բազմազանությունն ու ժամկետները: Սա թույլ է տալիս ավելի հստակ համեմատել տարբեր տեսակների կամ կլադների պանգենոմների միջև: Panaroo-ն ներառում է նաև Spydrpick ալգորիթմի ներդրում, որը թույլ է տալիս նույնականացնել գեների առկայության/բացակայության օրինաչափությունները, որոնք կամ բարձր փոխկապակցված են կամ հակակապակցված՝ միաժամանակ հաշվի առնելով բնակչության կառուցվածքը [54]: Նման փոխհարաբերությունները կարող են ցույց տալ, որ ներգրավված գեները էպիստատիկ ազդեցություն են ունենում ֆիզիկական պատրաստվածության վրա, կամ որ դրանց առկայությունը կամ բացակայությունը նման ընտրովի ճնշումների արդյունք է: Վերջապես, Panaroo-ի ելքը անխափան կերպով կապվում է pyseer (v1.3.0) բակտերիալ GWAS փաթեթի հետ [26, 55]: pyseer-ը ներառում է ասոցիացիայի ուսումնասիրություններ կատարելու մեթոդների լայն շրջանակ, որոնք թույլ են տալիս գտնել ֆենոտիպային ասոցիացիաներ գենի կամ կառուցվածքային ներկայության/բացակայության օրինաչափությունների հետ:

Մոդելավորում և համեմատություն նախորդ մեթոդների հետ

Օգտագործելով E. coli հղումային գենոմը ASM584v2 որպես ելակետ, մենք մոդելավորեցինք օժանդակ գենոմի տատանումները ՝ փոփոխելով գենի շահույթի և կորստի տեմպերը ՝ օգտագործելով ֆիլոգենեզ, որը մոդելավորվել է դենդրոպիայի ժամանակ Kingman- ի հետ համակցված (v4.4.0) [56]: Բացի այդ, մենք մոդելավորեցինք հաջորդականության տարբեր աստիճաններ՝ փոփոխելով գենային կոդոնի փոխարինման արագությունը: Լրացուցիչ Աղյուսակ 1-ում ներկայացված մոդելային պարամետրերի յուրաքանչյուր հավաքածուի համար ստեղծվել են 100 նմուշառված գենոմների երեք կրկնօրինակ տվյալների հավաքածուներ: Իրատեսական հաջորդականության հավաքները ստեղծվել են NGS հաջորդականության ընթերցումների առաջին մոդելավորման միջոցով՝ օգտագործելով Mason (v2.0.9) կամ ART (v2.5.8) [33, 35]։ Դրանք հավաքվել են SPAdes- ի միջոցով (v3.13.0) [34]: The resulting assemblies were annotated using Prokka (v1.13.3) with a custom BLAST database containing the correctly assigned proteins from the simulation prior to assembly. This extensive simulation pipeline provided more realistic data and included many of the sources of error encountered in pangenome analyses. To simulate the problems that fragmentation can bring to the analysis of pangenomes, we also simulated a fragmented assembly by breaking the simulated whole genomes into fragments prior to simulating the NGS reads. This resulted in highly fragmented final assemblies. Contamination was also simulated by randomly adding 10-kb segments of the S. epidermidis reference genome ASM764v1 a common lab contaminant to the simulated genomes prior to NGS simulation. These segments were added by sampling from a Poisson distribution with mean 1. The gene presence/absence matrix was then generated for PanX (v1.5.1), Roary (v1.007002), PIRATE (v1.0), COGsoft (v201204) and Panaroo (v1.0.0). These were compared with the simulated matrix and the number of inferred orthologous clusters that contained an error was counted and is shown in Fig. 3.


Gene regulation in prokaryotes

Most bacteria are free-living organisms that grow by increasing
in mass and then divide by binary fission.
Growth and division are controlled by genes, the expression
of which must be regulated appropriately. Գեներ
whose activity is controlled in response to the needs of a
cell or organism are called regulated genes. All organisms
also have a large number of genes whose products
are essential to the normal functioning of a growing and
dividing cell, no matter what the conditions are. Սրանք
genes are always active in growing cells and are known as
constitutive genes or housekeeping genes examples include
genes that code for the enzymes needed for protein
synthesis and glucose metabolism. Note that all genes are
regulated on some level. If normal cell function is impaired
for some reason, the expression of all genes, including
constitutive genes, is reduced by regulatory
մեխանիզմներ: Thus, the distinction between regulated
and constitutive genes is somewhat arbitrary.


Դիտեք տեսանյութը: Բաց դաս (Հունվարի 2023).