Загадка ферментної індукції. Продовження.

фермент

Якщо схема Жакоба і Моно вірна, то можна математично точно передбачити, що буде, якщо пошкодити ген-регулятор або ген-оператор. Якщо ген-регулятор реально існує, він, мабуть, може давати два типи змін. Перший — проста поломка, і тоді ніякий контроль з боку індукторів не вплине на систему синтезу. Репрессор більше не виробляється (адже ген-регулятор зламаний), і ген-оператор змусить структурні гени працювати безперервно. Значить, якщо виявити бактерії з постійним нерегульованим синтезом ферментів, це стане вагомим доказом існування гена-регулятора.

Але можна передбачити і другий тип порушень. Адже ген-регулятор міг не зламатися, а просто змінитися. Тоді зміниться і репрессор, причому так, щоб, втративши можливість з’єднуватися з індуктором, він продовжував би впливати на ген-оператор. У цьому випадку синтез ферментів зовсім зупиниться. Адже індуктор не зможе звільнити ген-оператор від репрессора: ключ залишиться в замку назавжди. Це перша ділянка запропонованої французькими дослідниками системи. А разом з тим парність генів могла б допомогти вирішенню теореми Жакоба.

Можна уявити собі й інший тип порушення гена-оператора. До зміненого гена нормальний репресор перестане підходити: перероблений замок не можна замкнути тим самим ключем. Настає нерегульований синтез, адже тепер ніщо не може вимкнути оператор.

Значить, теоретично можливі такі порушення регуляторної системи: ген-регулятор може вийти з ладу (і тоді клітина буде здійснювати нерегульований синтез ферментів). Або він дасть змінений репрессор (що замкне синтез назавжди). Ген-оператор також може зламатися (і тоді синтез припиниться). Або перестане приєднувати до себе репрессор (і синтези будуть йти не регульовано).

Але от біда — незважаючи на суворість логіки цих міркувань, перевірити їх на практиці було поки неможливо. Припустимо, що знайдеться мутант із зупиненим синтезом. За рахунок чого сталася зупинка: чи зміненого гена-регулятора або зіпсованого гена-оператора? Визначити це без додаткових прийомів дослідження неможливо. Так вчені встали перед необхідністю введення нових методів роботи.

Про те, як мікроби підкували мікроба…

Щоб розібратися в хитрості, застосованої Жакобом і Моно, треба відзначити основну відмінність хромосом бактерій від хромосом клітин вищих рослин і тварин. У останніх всі гени повторені двічі — вони парні. Це призводить до цікавих наслідків. Хоча обидва парних гена відповідають за одну ознаку, вони можуть відрізнятися один від одного. Один змінений (мутантен), зате інший нормальний; обидва змінені; обидва нормальні. Нічого цього немає у бактерій з тієї простої причини, що вони мають одинарну, а не подвійну хромосому, і ні про яку взаємодію парних генів у клітині бактерій не доводилося мріяти.

А разом з тим парність генів могла б допомогти вирішенню теореми Жакоба і Моно. Пам’ятайте, труднощі, з якими зіткнулися дослідники: було незрозуміло, що стало причиною одночасної зупинки синтезу ферментів — поломка оператора або зміна молекули репрессора (як наслідок зміни гена-регулятора)? А тепер уявіть собі, що вдалося б всунути в одну клітину відразу і мутанний, і нормальний гени. Якщо мутація була наслідком поломки оператора, то синтез ферментів тепер відразу відновиться і стане підкорятися контролю індуктора. Дійсно, поламаний ген-оператор так і не буде працювати, зате введення в клітину відразу б виявило місце порушення і справжнього винуватця аварії.

Ну, а якщо мутації торкнувся не оператор, а ген-регулятор? Він як і раніше буде синтезувати змінені молекули репрессорів, позбавивши їх можливості зв’язуватися з індукторами. Пам’ятаєте, ми говорили, що такий репрессор, як поламаний ключ у замку, залишився б назавжди приєднаним до оператора.

В цьому випадку — ось вона, відмінність! — введення нормального гена-оператора не зможе відновити синтез. Другий, нормальний оператор, як і перший, виявиться надійно заблокований зміненим репрессором. Як бачите, введення другого гена в клітину відразу б виявило місце порушення і справжнього винуватця аварії.

Здійснити такий дослід — об’єднати в одній клітині парні гени — допомогла робота, виконана Ф. Жакобом і Є. Адельбергом. Вони навчилися тимчасово створювати умови парності генів в бактеріях: тимчасово зливаючи нуклеїнові структури двох мікробів. Для нас зараз важливий тільки результат. Застосувавши цей метод, Жакоб і Моно почали створювати різні моделі парних генів і довели, що відбуваються поломки і оператора, і регулятора, а звідси слідував і основний висновок: ген-регулятор і ген-оператор реально існують в хромосомах і вони дійсно регулюють білкові синтези.

Коли були описані ознаки цих генів, Жакоб і Моно знайшли для них і місце на генетичних картах хромосом. Гіпотеза переросла в теорію.

Генетичні причини раку

Після робіт Жакоба і Моно в багатьох лабораторіях широко розгорнулося дослідження регуляції білкових синтезів. Зараз доведено, що великий клас реакцій, що відбуваються в різних організмах, починаючи від бактерій і кінчаючи ссавцями, підпорядковується схемі Жакоба і Моно. Мабуть, така регуляція біохімічної активності клітин притаманна всім організмам.

Виняткова важливість цього відкриття була швидко оцінена. Воно відразу ж було використано для розшифровки внутрішньоклітинних причин виникнення раку. У клітині, де порушена регуляторна система нехай навіть невеликого «білкового цеху», починається гарячковий синтез якогось одного або невеликого числа ферментів. В розлад потім приходить і весь врівноважений комбінат білкових синтезів. А як раз це і спостерігається на практиці. Було помічено, що багато видів раку — результат нерегульованих синтезів в клітині.

І ось перше слідство із теорії Жакоба і Моно. Можливо, що рак — наслідок порушення регуляторної системи генів. Але це все-таки припущення. А досліди?

В лабораторії Абелева вивчалася біохімія ракових пухлин. Стежачи за розвитком пухлин, вчені намагалися виявити в них якісь з’єднання, властиву тільки їм. Адже якщо пухлина так різко відрізняється від навколишніх нормальних тканин, то закономірно було шукати якісь тільки їй притаманні хімічні речовини. Пошуки їх увінчалися успіхом. Останнім часом був описаний білок альфа-глобулін, виявлений в пухлині печінки миші. Подібного йому не було ні в крові, ні в печінці, ні в інших органах здорових дорослих мишей.

Коли дослідники починали роботу, тільки біохімія володіла їх помислами. Але тепер вони зіткнулися з цікавою генетичною проблемою. Ми вже не раз говорили, що всі синтези в будь-яких клітинах йдуть під контролем генетичних структур. Але раз так, то в тканині печінки, яка переростала в пухлину, повинен був з’явитися новий ген, що дає інформацію про новий глобулін.

Як довести, що дійсно з’явився новий ген? Перш за все треба встановити, що ніде раніше в організмі миші не утворювалось таке з’єднання. Для цього вчені почали вивчати мишей з самих перших моментів їх розвитку, до свого здивування в ембріонах мишей вони виявили той самий альфа-глобулін, який вони вважали результатом або, може бути, навіть причиною злоякісного переродження печінкової тканини.

Але — в цьому вирішення проблеми! — такий глобулін утворювався в печінці ембріона тільки до тих пір, поки тканина печінки зростала. Росла! Як тільки ріст зупинився, іншими словами, по досягненні зрілого віку, синтез альфа-глобуліну припинявся. Зіграла свою роль регуляторна система клітини. Мабуть, репрессори придушили діяльність структурних генів, відповідальних за утворення цього глобуліну. Але ж ракова пухлина — активно зростаюча тканина. І як тільки почався злоякісний ріст, відразу ж став у відчутних кількостях утворюватися глобулін, який і був знайдений вченими.

Що ж зняло ті репрессори, які є в нормальній печінці та пригнічують в ній синтез альфа-глобуліну?

Поки невідомо, але відповідь на це питання була б великим кроком вперед у вивченні раку. Цінність теорії Жакоба і Моно аж ніяк не обмежується тільки тим, що вона допомагає розібратися в проблемі раку. Зараз ще не можна навіть передбачити всіх тих наслідків, до яких приведуть подальші дослідження з регулювання білкових синтезів.

Автор: В. Сойфер.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *