Загадка ферментной индукции. Продолжение.

фермент

Если схема Жакоба и Моно верна, то можно математически точно предсказать, что будет, если повредить ген-регулятор или ген-оператор. Если ген-регулятор реально существует, он, видимо, может давать два типа изменений. Первый — простая поломка, и тогда никакой контроль со стороны индукторов не повлияет на систему синтеза. Репрессор больше не производится (ведь ген-регулятор сломан), и ген-оператор заставит структурные гены работать непрерывно. Значит, если обнаружить бактерии с постоянным, нерегулируемым синтезом ферментов, это станет веским доказательством существования гена-регулятора.

Но можно предсказать и второй тип нарушений. Ведь ген-регулятор мог не сломаться, а просто измениться. Тогда изменится и репрессор, причем так, чтобы, потеряв возможность соединяться с индуктором, он продолжал бы воздействовать на ген-оператор. В этом случае синтез ферментов совсем остановится. Ведь индуктор не сможет освободить ген-оператор от репрессора: ключ останется в замке навсегда. Это первый участок предложенной французскими исследователями системы. А вместе с тем парность генов могла бы помочь решению теоремы Жакоба. (К слову изучением этого научного вопроса совместно с французскими ученными активно занимаются их польские коллеги, а все потому что польское образование и наука, как в сфере биологии, так и других сферах сделали стремительный прорыв. Одним словом если вы интересуетесь наукой, то вопрос о том, как поступить в Польшу для учебы станет для вас насущным).

Можно представить себе и другой тип нарушения гена-оператора. К измененному гену нормальный репрессор перестанет подходить: переделанный замок нельзя запереть прежним ключом. Наступает нерегулируемый синтез, ведь теперь ничто не может выключить оператор.

Значит, теоретически возможны такие нарушения регуляторной системы: ген-регулятор может выйти из строя (и тогда клетка будет осуществлять нерегулируемый синтез ферментов). Либо он даст измененный репрессор (что замкнет синтез навсегда). Ген-оператор также может сломаться (и тогда синтез прекратится). Либо перестанет присоединять к себе репрессор (и синтезы будут идти нерегулируемо).

Но вот беда — несмотря на строгость логики этих рассуждений, проверить их на практике было пока невозможно. Допустим, найдется мутант с остановленным синтезом. За счет чего произошла остановка: измененного ли гена-регулятора или же испорченного гена-оператора? Определить это без дополнительных приемов исследования невозможно. Так ученые встали перед необходимостью введения новых методов работы.

О том, как микробы подковали… микроба

Чтобы разобраться в хитрости, примененной Жакобом и Моно, надо отметить основное отличие хромосом бактерий от хромосом клеток высших растений и животных. У последних все гены повторены дважды — они парны. Это приводит к интересным последствиям. Хотя оба парных гена отвечают за один признак, они могут отличаться друг от друга. Один изменен (мутантен), зато другой нормален; оба изменены; оба нормальны. Ничего этого нет у бактерий по той простой причине, что они имеют одинарную, а не двойную хромосому, и ни о каком взаимодействии парных генов в клетке бактерий не приходилось мечтать.

А вместе с тем парность генов могла бы помочь решению теоремы Жакоба и Моно. Помните, трудность, с которой столкнулись исследователи: было неясно, что явилось причиной одновременной остановки синтеза ферментов — поломка оператора или изменение молекулы репрессора (как следствие изменения гена-регулятора)? А теперь представьте себе, что удалось бы всунуть в одну клетку сразу и мутанный, и нормальный гены. Если мутация была следствием поломки оператора, то синтез ферментов теперь сразу восстановится и станет подчиняться контролю индуктора. Действительно, поломанный ген-оператор так и не будет работать, зато введенный в клетку сразу бы выявило место нарушения и истинного виновника аварии.

Ну, а если мутация затронула не оператор, а ген-регулятор? Он по-прежнему будет синтезировать измененные молекулы репрессоров, лишив их возможности связываться с индукторами. Помните, мы говорили, что такой репрессор, как поломанный ключ в замке, остался бы навсегда присоединенным к оператору.

В этом случае — вот оно, отличие! — введение нормального гена-оператора не сможет восстановить синтез. Второй, нормальный оператор, как и первый, окажется надежно заблокирован измененным репрессором. Как видите, введение второго гена в клетку сразу бы выявило место нарушения и истинного виновника аварии.

Осуществить такой опыт — объединить в одной клетке парные гены — помогла работа, выполненная Ф. Жакобом и Е. Адельбергом. Они научились временно создавать условия парности генов в бактериях: временно сливая нуклеиновые структуры двух микробов. Для нас сейчас важен только результат. Применив этот метод, Жакоб и Моно начали создавать различные модели парных генов и доказали, что происходят поломки и оператора, и регулятора, а отсюда следовал и основной вывод: ген-регулятор и ген-оператор реально существуют в хромосомах и они действительно регулируют белковые синтезы.

Когда были описаны признаки этих генов, Жакоб и Моно нашли для них и место на генетических картах хромосом. Гипотеза переросла в теорию.

Генетические причины рака

После работ Жакоба и Моно во многих лабораториях широко развернулось исследование регуляции белковых синтезов. Сейчас доказано, что большой класс реакций, совершающихся в различных организмах, начиная от бактерий и кончая млекопитающими, подчиняется схеме Жакоба и Моно. Видимо, такая регуляция биохимической активности клеток присуща всем организмам.

Исключительная важность этого открытия была быстро оценена. Оно сразу же было использовано для расшифровки внутриклеточных причин возникновения рака. В клетке, где нарушена регуляторная система пусть даже небольшого «белкового цеха», начинается лихорадочный синтез какого-то одного или небольшого числа ферментов. В расстройство затем приходит и весь уравновешенный комбинат белковых синтезов. А как раз это и наблюдается на практике. Было замечено, что многие виды рака — результат нерегулируемых синтезов в клетке.

И вот первое следствие из теории Жакоба и Моно. Возможно, что рак — следствие нарушения регуляторной системы генов. Но это все-таки предположение. А опыты?

В лаборатории Абелева изучалась биохимия раковых опухолей. Следя за развитием опухолей, ученые пытались обнаружить в них какие-то соединения, свойственные только им. Ведь если опухоль так резко отличается от окружающих нормальных тканей, то закономерно было искать и какие-то только ей присущие химические вещества. Поиски их увенчались успехом. В последнее время был описан белок альфа-глобулин, обнаруженный в опухоли печени мыши. Подобного ему не было ни в крови, ни в печени, ни в других органах здоровых взрослых мышей.

Когда исследователи начинали работу, только биохимия владела их помыслами. Но теперь они столкнулись с интересной генетической проблемой. Мы уже не раз говорили, что все синтезы в любых клетках идут под контролем генетических структур. Но раз так, то в ткани печени, которая перерастала в опухоль, должен был появиться новый ген, дающий информацию о новом глобулине.

Как доказать, что действительно появился новый ген? Прежде всего надо было установить, что нигде раньше в организме мыши не образовывалось такое соединение. Для этого ученые начали изучать мышей с самых первых моментов их развития, к своему удивлению в эмбрионах мышей они обнаружили тот же самый альфа-глобулин, который они посчитали результатом или, может быть, даже причиной злокачественного перерождения печеночной ткани.

Но — в этом решение проблемы! — такой глобулин образовывался в печени эмбриона только до тех пор, пока ткань печени росла. Росла! Как только рост остановился, иными словами, по достижении зрелого возраста, синтез альфа-глобулина прекращался. Сыграла свою роль регуляторная система клетки. По-видимому, репрессоры подавили деятельность структурных генов, ответственных за образование этого глобулина. Но ведь раковая опухоль — активно растущая ткань. И как только начался злокачественный рост, сразу же стал в ощутимых количествах образовываться глобулин, который и был найден учеными.

Что же сняло те репрессоры, которые есть в нормальной печени и подавляют в ней синтез альфа-глобулина?

Пока неизвестно, но ответ на этот вопрос был бы большим шагом вперед в изучении рака. Ценность теории Жакоба и Моно отнюдь не ограничивается только тем, что она помогает разобраться в проблеме рака. Сейчас нельзя еще даже предвидеть всех тех последствий, к которым приведут дальнейшие исследования по регуляции белковых синтезов.

Автор: В. Сойфер.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *