Тұқым қуалаудың құрылымдық бірліктері
Эукариоттық организмдерде тұқым қуалау материалының үш қүрылым деңгейін ажыратады: гендік, хромосомалық және геномдық.
- Гендік деңгей. Онтогенез барысында генетикалық материал өз қызметін атқарады және екі еселенеді, сондай-ақ мутациялық өзгерістерге ұшырайды немесе рекомбинациялануға қабілетті келеді. Бұл аталған процестің бірлігі – ген.
- Хромосомалық деңгей. Хромосомада орналасқан гендер топтар құрайды және тіркесіп тұқым қуалайды. Гендердің хромосомаларда орналасуы мейоздық бөліну кезінде тұқым қуалау материалының ұрпақтарға теңдей қайта бөлінуін қамтамасыз етеді.
- Геномдық деңгей. Организмнің барлық хромосомаларындағы тіркесу топтарын құрайтын гендер жиынтығы тұтас бір жүйені – геномдық деңгейді түзейді. Мұнда бір немесе әр түрлі жұп хромосомаларда орналасқан гендер өзара әрекеттеседі. Соның нәтижесінде жаңа белгілі қалыптасады
Геннің құрылысы, қызметі мен қасиеттері
Қазіргі тұрғыда ген ақуыз молекуласының полипептидті тізбегіндегі амин қышқылдары орналасу ретін анықтайтын ДНҚ-ның бір кесіндісі делінеді. Ол тұқым қуалау ақпаратсының дискретті бірлігі, яғни организм дамуына арнайы әсер етіп, оны реттейтін хромосома локусы. Олай болса, ген – бөліне алатын күрделі молекулалық-биологиялық құрылым. Ол төменгі қатардагы бірліктер – нуклеотидтерден тұрады. Нуклеотидтердің саны, өзара орналасу тәртібі әр геннің өзіндік ерекшелігін сипаттайды. Былайша айтқанда, кез келген геннің өзіне тән мөлшері, нуклеотидтер саны жэне молекулалық массасы бар. Геннің мөлшері ол анықтайтын ақуызтың көлеміне байланысты. Көпшілік ақуыздар орташа есеппен 300-500 аминқышқылдарынан тұрады. Егер 1 жұп нуклеотидтің молекулалық массасы 660 екенін ескеріп, орташа мөлшердегі ген 1500 жұп нуклеотидтерден тұрады деп алсақ, ол геннің молекулалық массасы 1 млн-ға жуықтайды. Есептеулерге қарағанда ішек таяқшасында шамамен -103, дрозофилада- 10, ал адамда- 107 ген бар.
Геннің қызметі.
- Тұқым қуалау ақпаратсын сақтау. Ақпарат төрт түрлі азотты негіздердің белгілі бір тәртіппен орналасуы түрінде жазылған. Егер ген шамамен 1000 нуклеотидтен тұратын болса, азотты негіздерді алмастыру немесе орындарын ауыстыру арқылы өте көгітеген алуан түрлі қүрылысы бар ген варианттарын (4 немесе ІО602) алуға болады. Әр жасушада сол организмнің тіршілігі жайлы бүкіл ақпарат сақталатын 11 жуық ДНҚ болады.
- Геннің екі еселенуі (редупликациясы). Жасуша бөлінуінің алдында ДНҚ-ны құрайтын мономерлер-нуклеотидтердің синтезі жүреді. Соңынан, бір- бірінен ажыраған ДНҚ жіпшелеріне комплементарлық принцип бойынша қажетті нуклеотидтер келіп орналасып, ДНҚ-ның өзара ұқсас екі молекуласы түзіледі.
- Ақуыз синтезін басқару. Транскрипция нәтижесінде ДНҚ-ның бір жіпшесіне сейкес РНҚ түзіледі. Одан кейін цитоплазмада трансляция процесі жүріп, ақуыздың биосинтезі жүзеге асырылады.
- ДНҚ репарациясы. ДНҚ синтезі кезінде байқалатын бұзылулар (примидиндік димерлер) көзге көрінетін сәуле кванттарының немесе ферменттерінің көмегімен бастапқы қалпына келтіріліп, жасушаның қалыпты тіршілік қабілеті қамтамасыз етіледі.
Геннің қасиеттері.
- Геннің салыстырмалы тұрақтылығы. Тірі табиғаттағы барлық организм түрлерінде бірнеше ұрпақ бойы оларға тән белгілерді байқауға болады. Мендельдің гибридологиялық талдау жұмыстары тұқым қуалау материалының осы тұрақтылық қасиетіне сай негізделген. Бірақ геннің бұл қасиетін абсоютті деуге болмайды, өйткені кездейсоқ байқалатын мутациялар нәтижесінде жаңа аллельдер түзіліп, олардың ұрпақтан ұрпаққа тұқым қуалауы жүреді.
- Геннің дискреттілігі. Мысалы, Мендель ашқан ажырау заңындағы және гендердің тәуедсіз тұқым қуалауындагы айқын көрінетін түрлі белгілерді алуға болады. Белгілер түрлі гендермен анықталады, аз гендердің хромосомаларда орналасуы бір-біріне сәйкес емес.
- Ген әсерінің өзіндік сипаты. Кез келген ген арнайы бір ғана белгінің немесе бірнеше белгілер тобының (плейотропия) жарыққа шығуын бақылайды.
- Көптеген гендер екі немесе бірнеше қарама-қарсы белгілерді анықтайтын аллельдер (көптік аллельдер) түрінде болады. Бір геннің барлық аллельдері бір жұп хромосоманың арнайы учаскесінде (локусында) орналасады. Мысалы АВО жүйесі бойынша қан топтарының тұқым қуалауы.
- Ген әсерінің өзіндік мөлшері, яғни дозасы болады. Аллельдердің саны артқан сайын әсер ету дозасы да артып, белгінің көрінісі айқындала түседі. Мысалы, полимерия құбылысы. Кейбір хромосомалық аурулар белгілі бір хромосомалардағы гендер дозасының не артуына, не кемуіне байланысты қалыптасады. Мысалы, Шерешевский-Тернер (45 ХО), мысықтың айқайы (5хр.р) синдромдарындағы ген әсерінің дозасы кем, ал Даун (47,XX 21+) және Клайнфельтер (47 ХХУ) синдромдарында керісінше, артық болады.
Гендер классификациясы
Функционалдық-генетикалық классификация бойынша гендер 3 топқа бөлінеді (В.Н.Ярыгин бойынша):
- Структуралық гендер – нақты белгілердің дамуын анықтайтын гендер. Оларда полипептидті құрайтын аминқышқылдардың орналасу реті немесе рРНҚ мен тРНҚ құрамындағы нуклеотидтердің реті жайлы ақпарат сақталады. Соған байланысты структуралық гендер өз алдына 3-ке бөлінеді: арнайы структуралық және ферменттік ақуыздар құрамындағы аминқышқылдарының орналасу ретін анықтайтын гендер (коллаген, миозин ақуыздары, амилаза, липаза ферменттері т.б.), барлық жасушаларда жалпылама біркелкі қызмет атқаратын ақуыздар құрамындағы аминқышқылдардың орналасу ретін анықтайтын гендер (рибосомалық ақуыздар, гистондық ақуыздар). рРНҚ мен тРНҚ қурамындағы нуклеотидтердің орналасу ретін анықтайтын гендер. Бұл нуклеин қышқылдарының атқаратын қызметтері әр түрлі, соган сәйкес ондағы нуклеотидтердің саны да, орналасу тәртібі де түрліше. Структуралық гендердің осы аталған түрлерінде тек генетикалық ақпараттарымен ғана емес, олардың плейотроптық әсер соңгы екі топтың гендерінде байқалады. Олар барлық жасушаларда да жогары белсенділік көрсетіп, қарқынды жұмыс атқарады. Бұл гендердің мутацияға ұшырауы организм дамуына біпқатар ауытқуларга себеп болады. Ендеше, организм генотипінде орташа қайталанатын ДНҚ-дан тұратын бірнеше ондаған көшірмелерінің болуы тегін емес.
- Модулятордық гендер: а) ингибириторлар немесе супрессорлар, бұл топқа эпистаздық қасиет көрсететін гендер жатады; б) Интенсификаторлар- мутация жиілігін арттыратын сутатор гендер; в) модификаторлар-бірін бірі толықтыратын комплементарлық гендер. Модулятор гендердің жалпы қызметі белгінің даму процесін немесе басқа да генетикалық құбылыстарды өзгертіп көрсету. Мұндай гедердің үлкен эволюциялық мәні бар.
- Реттеуші (регулятор) гендер– структуралық гендердің жұмысын реттейді. Организмнің жеке дамуы барысында хромосомалардагы түрлі локустардың дер кезінде іске қосылуын реттеу осы гендер аркылы орындалады.
«Бір ген – бір фермент» болжамы. Ферменттер және басқа ақуыздар жайлы ақпараты бар гендер жасушадагы метаболизм (зат алмасу) прцестерін бақылайды, ал ферменттер өз тарапынан биокатализатор ретінде тірі организмдегі барлық химиялық реакцияларды басқарады. Г ендер мен ферменттер арасындағы байланысты алғаш көрсеткен А.Гэррод (1902) болды. Ол алкаптонуриямен ауру адамның зәрінде артық мөлшерде гомогентизин қышқылының бар екенін анықтап, оның себебі ауру адамда бұл затты ыдырататын фермент жоқ, ендеше, зат алмасу өзгенген деп тапты. Дәл осы жагдай фенилкетонурия (ФКУ), триозиноз және альбинизм ауруларының себебін анықтауда да байқалды.
Араға 40 жыл салып 1941 жылы америка ғалымдары Дж.Бидл және Э.Татум осы механизмді түсіндіретін «Бір ген – бір фермент» деген болжам ұсынды. Мұнда кез келген ген арнайы ферменттің синтезін анықтау арқылы зат алмасу процесіне әсер етеді делінген. Ол гендердің, биохимиялық рөлін зерттеуге объект ретінде зең саңырауқұлағы нейроспораны алған. Бұл микроорганизмдер қалыпты өсуіне қажетті аминқышқылдарды, нуклеотидтерді, липидтерді т.б. синтездеу үшін тіршілік ортасында көміртекті, азотты қосылыстардың және минералды заттардың болуын керек етеді. Бұл – табиғи, толық қоректік орта. Нейроспора сонымен қатар құрамында тек агар, қант, минералды тұздар және биотин витамині бар жасанды ортада да өсуге қабілетті келеді. Өйткені, олар өз жасушаларында осы аталған қарапайым қосылыстардан өсуіне қажет барлық көмірсуларды, майларды, аминқышқылдарын және витаминдерді синтездей алады (прототрофтар). Тәжірибе барысында нейроспора штамдарының бір бөлігіне рентген сәулесімен әсер етіп, екінші бөлігін сау қалпында толық қоректік ортада өсіреді. Жақсы өсіп қаулаған штамдарды өзара будандастырып, түзілген спораларды алдымен толық қоректік ортада өсіріп, соңынан қолайлы ортага ауыстырғанда сәуленің әсеріне ұшырамағандары дұрыс өсіп, ал мутацияға ұшыраған штамдар аминқышқылдарын синтездей алмагандықтан өсуін тоқтатқан. Қай аминқышқылының жетіспейтінін анықтау үшін штамдарды 20 бөлек қолайлы ортаға өсіріп, әрқайсысына тек бір аминқышқылының түрін қосып отырған. Штамның өсуі қай ортада байқалса, сол ортада осы штамм синтездей алмаған аминқышқылы бар деп есептелді. Тәжірибе қорытындысы, рентген сәулесі әр кезде тек бір ғана генді мутацияға ұшыратады, соган байланысты нақты бір аминқышқылының синтезін қамтамасыз ететін ферменттің түзілуі бұзылады. Олай болса, генетикалық мутация зат алмасудың белгілі бір кезеңіне қажетті ферменттің синтезделмеуіне себепші. Осы негізде Бидл және Татум кез келген нақты бір ферменттің синтезін бақылайды деп «Бір ген – бір фермент» болжамына түсінік берді.
Медициналық мәліметтер бойынша орақ тәрізді жасушалық анемиямен ауру адамдар әдетте жынысы жетілуден ертерек қайтыс болады. Мұндай жасөспірімдерде оттегі мөлшерінің аз болуына байланысты эритроциттері өзгеріп орақ тэрізді пішінге ие болады. Аурудың аты да соған сәйкес аталады. 1919 жылы Дж.Нил жэне Е.Бит бір-біріне байланыссыз зерттеулер жүргізіп, орақ тәрізді жасушалық анемияның себебі арнайы бір геннің мутацияға ұшырауынан деп тапты. Мутацияға ұшыраған ген анемияның белгісі айқын көрінетін адамдарда гомозиготалы, ал жеңіл формасы байқалатын тасымалдаушыларда гетерозиготалы күйде болады. Сол жылы Л.Поллинг мутацияға ұшыраған ауру адамдағы гемоглобиннің химиялық құрылымының өзгеше екенін анықтады. Осы мутация бойынша гомозиготалы ауру адамда тек өзгерген гемоглобин гана болады, олардың эритроциттері түгелімен дерлік орақ пішіндес. Ал, гетерозиготтарда өзгерген гомоглобиннің мөлшері 25-40% жэне қанында орақ пішіндес те, қалыпты да эритроцитер кездеседі.
Ересек адамда болатын қалыпты гемоглобин (НВА) екі – а жэне екі – р тізбектерінен тұратын күрделі ақуыз молекуласы. Альфа тізбегі 141, ал бета тізбегі 146 аминқышқылының қалдықтарынан құралган. Әр тізбектегі аминқышқылдарының орналасу реті өзгеше жэне ерекше. 1957 жылы В.Ингрэм орақ тәрізді жасушалық гемоглобиндегі |3 – тізбегінің құрылысы қалыпты гемоглобинен басқаша, ондагы алтыншы орында глутамин қышқылының орнында валин орналасқанын тапты. Осы өзгерген гемоглобиннің айырмасы бар болганы бір ғана аминқышқылының алмасуында болып тұр. Ақуыз молекуласындағы аминқышқылдарының орналасу реті геннің бақылауында болатыны айтылды. Гемоглобиннің құрамындагы а және |1 тізбектерінің әрқайсысы өз алдына жеке гендермен анықталады. Гемоглобин сияқты басқа да күрделі ақуыздар мен ферменттер эртүрлі гендермен анықталатын екі немесе одан да көп полипептидті тізбектерден тұрады. Ендеше, ондай ақуыздардың бір молекуласы бір генмен анықталмайды. Ген ақуыз құрамындағы бір полипептидті тізбекті ғана анықтай алады. Осыған байланысты Ингрэм «бір ген — бір фермент» болжамын дәлірек магынада «бір ген — бір полипептидті тізбек» деп өзгертуді ұсынды. Қазіргі кезде бұл анықтама молекулалық генетикада негізгі теориялардың бірі болып есептеледі.
Генетикалық инженерия
Жасушаның немесе организмнің тұқым қуалау табиғатын қалаған мақсатқа сәйкес қайта құрастыру арқылы қажетті фенотиптік өзгерістер алуға мүмкіндік беретін молекулалық биологияның жаңа бағыты генетикалық инженерия деп аталады.
Қазіргі кезде генетикалық инженерияға байланысты организмдегі патологиялық гендерді сау гендермен алмастыру немесе басқа гендерді енгізу нәтижесінде адамның көптеген ауру – сырқаттарын емдеу және алдын алу көзделіп отыр. Генетикалық инженерияның алдына қойған мақсаты алуан түрлі, өйткені бұл әдісті пайдалану түрлі деңгейде: организмдік, жасушалық және гендік деңгейде жүреді.
Организмдік деңгейде генетикалық инженерияны қолданудың мысалы ретінде аллофендік жануарларды (тышқанды) алуға болады. Бірнеше аналық тышқанның жатырына дамудың 8 бластомерлік кезеңіндегі үрықтарды шыгарып алып, түтікше ішінде ол бластомерлерді бір – бірінен ажыратады. Түрлі особьтардан алынган осы бластомерлерді араластырып түзілген қоспа бластуланы дамуының гаструлалық кезеңінде бір аналық тышқанның жатырына енгізіп дамуды жалғастырады. Дүниеге келген аллофенді тышқанның фенотипінде барлық ата – аналарына тән белгілер қайталанғанымен, бірқатар өзіндік жаңа қасиеттерде пайда болады. Ендеше, ересек жағдайда ұлпалары бір – біріне иммунологиялық жағынан сэйкес келмейтін особьтардың жасушаларынан осы жолмен қалыпты дамып жетіліп, тіршілік етуге қабілетті аллофендік үрпақ алуға мүмкіндік туады.
Жасушалық деңгейде әр түрге жататын организмдердің жасушаларын будандастыру арқылы бірнеше генатиптен құралған будан жасуша алынады. Мысалы: «адам – тышқан» будандық жасушаны алып, одан адам хромосомаларын біртіндеп шығарып тастайды. Жойылған қайсы бір хромосомадан кейінгі байкалатын жасушалық фенотиптік өзгерістерге қарай отырып адамның тіркесу топтарының гендік құрамын анықтайды.
Гендік деңгейде – түқым қуалаушылықты басқару жолы гендік инженерия деп аталады. Мұндағы мақсат қолдан жасанды гендер алып немесе даяр гендерді басқа организмдердің геномына енгізу арқылы олардың фенотиптерін қалаған бағытта өзгерту. Гендік инженерияның негізгі әдістері осы ғасырдың 60 – 70 жылдары қолданыла бастады. Бұл әдіспен организмдердің генотиптері мен фенотиптерін өзгерту жұмыстары мынадай 4 кезеңнен тұрады.
І.Қажетті генді донорлық жасушадан бөліп алу немесе жасанды түрде синтездеу; 2.Реципиент – жасушасына енгізуге қабілетті векторлық ДНҚ – ға осы генді байланыстыру; З.Реципиент – жасушасының геномына генді енгізу. Гендердің экспериментальді түрде басқа геномға тасымалдануын трансгенез деп атайды; 4.Геннің жүмыс істеуіне сай траскрипция – жасушаның фенотиптік өзгерістерін бақылау.
Қазіргі генетикада генді организмнен тыс синтездеудің екі әдісі бар: химиялық және ферментативтік.
Химиялық әдіспен ген синтездеу үшін ондағы нуклеотиттердің орналасу реті белгілі болуы тиіс. Ең алгашқы жасанды ген синтездеген индиялық галым Г. Корана. Ол 1970 жылы ашытқы саңырауқүлагының тРНҚ – сын анықтайтын 77 нуклеотидтерден түратын жасанды ген алды. Тек структуралық учаскелерден тұратын бұл генде реттеуші учаскелер болмагандықтан ол ген қызмет атқара алмады. Артынша 1976 жылы ішек таяқшасы бактериясының тирозиндік ш – РНҚ – сына жауапты ген ситезделді. Мұның ерекшелігі 126 жүп нуклеотиттердің көлеміндегі структуралық учаскелермен қатар реттеуші – промотор және терминатор бөліктері де болады. Арнайы багдарламага сай түзелген бұл жасанды генді бактерия жасушасына енгізгенде, кәдемгі табиғи ген тәрізді қызмет атқарган. Осы химиялық синтездеу әдісі арқылы лактозаны ыдырататын ферменттің гені де алынды. Түтікшеде түзілген бұл генді векторлық плазмидаға байланыстырып соңынан бактерия жасушасына енгізгенде, лактозаның сіңірілуі жүре бастаған. Алайда, генді химиялық жолмен алу тек прокариоттардың кішігірім гендерін синтездеуге ғана тиімді әдіс. Ал мыңдаған немесе одан да көп нуклеотиттерден тұратын эукариоттар генін бұл әдіспен алу әлі іске асырылган жоқ. Мүндай күрделі гендерді синтездеу «кері транскрипция» процесінің көмегімен гана жүргізіледі. Қатерлі ісік туғызатын РНҚ-лы вирустарда ашылған бүл үрдіс гендердің ферментатифтік синтезіне негіз болады. Ферментативтік синез әдісімен гендер алу үшін кері транскриптаза ферментінің көмегімен түтікшедегі матрицалық аРНҚ-га комплементарлы ДНҚ жіпшесі синтезделеді, артынша ол жіпше екі еселенген қос тізбекті ДНҚ молекуласы түзіледі. Соңынан рибонуклеаза ферментінің қатысуымен аРНҚ жойылады, ал қалған ДНҚ-ны көшірме ДНҚ (кДНРҚ) деп атайды. Мұндай кДНҚ – да интрондар болмайды, былайша айтқанда, оның бактериялық геннен айырмасы жоқ. Алынған ген бактериялық жасушада қызмет атқаруға қабілетті, сондықтан оған сай аРНҚ түзіліп, онан соң ақуыз синтезделеді.
Осы әдіс арқылы академик В. А. Энгельгардтың басқаруымен галактозидаза ферментін анықтайтын ген синтезделіп фагтың жасушасына енгізген. Фагтың көбеюі нәтижесінде геннің көптеген көшірмесі түзіліп ферментті артық мөлшерде ситездеуге жол ашылды. Мұның тек теориялық емес практикалық мәні де зор, өйткені галактозидаза тамақ өнеркәсібінде кеңінен қолданылды. Кейінгі кезде адамның, қоянның, кептердің глобиндік гендері, егеуқұйрық бауырының митохондриялық гендері т.б. синтезделді. Сондай – ақ инсулин тізбектеріне жауапты екі ген синтезделіп, ішек таяқшасының геномына енгізгенде ол жасушаларда инсулиннің синтезі жүре бастаган.
Гендік инженерияда жасанды гендер синтездеумен қатар ДНҚ- ның рекомбинантты молекуласын құрастыру үшін табиғи гендерде пайдаланады. Ол гендерді векторлық ДНҚ молекуласына байланыстыру бактериялық ферменттер – рестриктазалар арқылы іске асырылады. Бактерия жасушасындагы қорғаныштық қызмет атқаратын рестриктазалар жасушаға енген бөтен ДНҚ – ны жою мақсатында оны бірнеше бөліктерге кесіп тастауға қабілетті келеді. Кесілген ДНҚ фрагменттері шамалы уақыттан кейін комплементарлық принцип бойынша лигаза ферментінің көмегінің қайта жалғанып, ДНҚ-ның сақина тэрізді пішіні қалпына келеді. Осы әдіспен түрлі жасушалардан немесе хромосома учаскелеріне алынган ДНҚ кесінділерін жалғастырып рекомбинантты ДНҚ молекуласын алуға мумкіндік туады. Векторлар ретінде ДНҚ – дан басқа да фагтар, вирустар, плазмидтер, эписомдар қолданылады. Гендік инженерия жетістіктерін қазіргі кезде жануарлар мен адамның антибиотиктерін, витаминдерін синтездейтін микроорганизмдердің жаңа штамдарын шығаруга пайдалануда. Сондай-ақ, адамның көптеген ауруларына себепщі болатын вирустан бөліп алынган гендері бактерия жасушасына енгізіп жан – жақты зерттелуде. Олай болса, адамзатты бірқатар тұқым қуалайтын аурулардан арылтуға гендік инженерияның болашағы зор деп есептеледі.
Ұқсас материалдарды қарай кетіңіз:
