 |
Механизмы регуляции экспрессии генов у эукариот.
|
|
|
|
В клетках млекопитающих наряду с адаптивной регуляцией, существуют механизмы, которые сохраняют стабильную (существующую на протяжении всей жизни клетки и даже многих её генераций ) репрессию одних генов и депрессию других.
А. Организация гетерохроматина
Известно, что
1. В ядрах дифференцированных клеток хроматин имеет такую укладку, что только небольшое число генов (часто менее 1%) доступно для транскрипции.
2. Различают участки гетеро хроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и недоступна для транскрипции, и участки эу хроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу.
3. В разных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены: в разных тканях транскрибируются разные участки хроматина.
Причины стойкой репрессии генов гетерохроматина:
- пространственная укладка ДНК
- метилирование дезоксицитидина ДНК-метилазами в 5'-CG-3' последовательностях ДНК
-связыванием с гистонами и образованием нуклеосом.
Области эухроматина ( расположены активно транскрибируемые гены) обладают структурными особенностями:
-они более чувствительны к действию ферментов ДНК-аз
- молекулы гистонов, связанные с ДНК в этих участках, модифицированы (метилирование в гистонах Н2А и Н2В)
- присоединяется группа негистоновых HMG-белков, связывание с ними ослабляет взаимодействие ДНК и гистонов и вызывает дополнительное повышение транскрипционной активности генов.
Механизмы регуляции:
- изменение количества структурных генов;
- перестройка генов в хромосомах;
- эффективность транскрипции разных участков генома;
- характер посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов;
- на уровне трансляции;
- с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.
В. Изменение количества генов
|
|
|
Амплификация (или увеличение числа) генов используется организмом в том случае, когда возникает необходимость увеличить синтез определённого генного продукта. Многие гены, кодирующие белки или РНК, необходимые организму в больших количествах (например, гистоны, рРНК, тРНК), постоянно присутствуют в амплифицированном состоянии.
Пример: К числу генов, для которых обнаружена амплификация, относят ген металлотионеина. Продукт экспрессии этого гена - низкомолекулярный белок металлотионеин, обладающий способностью связывать тяжёлые металлы (медь, цинк, кадмий, ртуть) и защищать клетки от отравления этими соединениями. Установлено, что в ответ на повышение концентрации тяжёлых металлов в крови в клетках происходит амплификация гена металлотионеина.
Утрата генетического материала -довольно редкий способ регуляции. Наиболее яркий пример потери всех генов за счёт разрушения ядра - процесс созревания эритроцитов.
С. Перестройка генов
Генетическая рекомбинация:
- при половом слиянии яйцеклетки и сперматозоида;
- при перемещении подвижных генетических элементов - транспозонов, в состав которых входят отдельные гены или группа генов, с исходной позиции в какое-либо другое место той же или другой хромосомы;
- при формировании в лимфоцитах "библиотеки" генов, кодирующих антитела или иммуноглобулины.
Пример: Образование у H.s. около 10 млн (107) различных антител. Огромное многообразие белков иммунной системы кодируется ограниченным количеством генетического материала, изменения в котором обеспечиваются рекомбинациями и соматическими мутациями (или изменениями в структуре ДНК, которые сохраняются при последующих делениях клеток).
Д. Регуляция транскрипции
! Принимает участие значительно большее количестве участков ДНК и регуляторных факторов, контролирующих этот процесс.
|
|
|
! У животных и человека различные гены экспрессируются в разные моменты времени и с разной интенсивностью.
!есть гены, транскрибирующиеся конститутивно, т.е. постоянно и во всех тканях, например, гены гликолиза, синтеза РНК и некоторых белков (например, альбумина).
!есть гены, транскрибирующиеся только в специализированных клетках, т.е. имеет место тканеспецифическая экспрессия. Например, экспрессия генов α- и β-цепей глобина происходит только в клетках-предшественниках эритроцитов.
!Многие гены подвергаются адаптивной регуляции и являются объектами негативного контроля.
!!! Минимальный синтез любого белка поддерживается в том случае, если к ТАТА-участку промотора присоединяется ТАТА-связывающий белок, факторы транскрипции и РНК-полимераза, образующие инициирующий комплекс, осуществляющий синтез небольшого количества мРНК. Промоторы эукариотических генов находятся под контролем большого числа регуляторных участков на молекуле ДНК: TATA-, CAAT-, GC-последовательностей, энхансеров, сайленсеров- последовательностей, к которым присоединяются комплексы белков с различными лигандами (цАМФ, стероидными гормонами, метаболитами, ионами металлов и т.д.).
Е. Посттранскрипционная регуляция
Основные способы:
- альтернативный сплайсинг
- изменение стабильности РНК.
Альтернативный сплайсинг: многие эукариотические гены, будучи транскрибированы, образуют несколько вариантов зрелой мРНК в ходе процессинга (или созревания) первичного транскрипта, имеющего полиэкзонное строение.
! Часто промотор сохраняется на одном из концов транскрипта, а в ходе сплайсинга происходит "вырезание" одного или нескольких экзонов.
! В зрелой мРНК сохраняется часть интрона и включается в состав экзона с 5' или 3'-конца.
Часто встречающиеся варианты сплайсинга первичных транскриптов РНК: I. Вырезание одного из экзонов: а) синтез белка, содержащего полный набор экзонов (1-5); б) синтез белка, лишённого одного экзона (1, 2,4, 5); II. Сохранение участка интрона: а) с 5'-конца; б) с 3'-конца. III. Сохранение целого интрона. IV. Использование альтернативных промоторов (либо перед экзоном 1, либо перед экзоном 2). V. Использование альтернативных участков полиаденилирования (например, при последовательном сшивании экзонов после экзона 3, а если экзон 3 не прочитывается, то после экзона 4).
|
|
|
Изменение стабильности мРНК. Для того, чтобы участвовать в синтезе белка, мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Установлено, что в ядре клеток обычно синтезируется больший набор гетерогенных РНК, чем тот, что выходит в цитоплазму. мРНК, что, транспортируются из ядра в цитоплазму, защищаются от гидролитического разрушения, образуя комплексы с белками.
Продолжительность жизни разных мРНК варьирует в достаточно широких пределах. Пример: в ходе транскрипции гена β-глобина образуется мРНК с t1/2, равной примерно 10 ч.
Пример: "Редактирование" мРНК апопротеина В.
В ходе транскрипции гена апопротеина В в печени образуется мРНК, служащая матрицей для синтеза белка, состоящего из 4563 аминокислотных остатков.
В клетках тонкого кишечника экспрессия того же гена вызывает образование белка, состоящего из 2152 аминокислот. В РНК транскрипте цитозин кодона 2153 - САА превращается в урацил (U), и возникает стоп-кодон в середине молекулы мРНК. Это приводит к синтезу укороченного белка.
F. Регуляция трансляции и посттрансляционных
модификаций
|
|
|
