 |
регуляция гистонами и другими белками
|
|
|
|
синтеза на уровне транскрипции
1. Основная регуляция происходит на этапе инициации транскрипции.
2. Так как большинство генов прокариот находятся во “включенном” состоянии, регуляторные воздействия у прокариот обычно направлены на их “выключение”. Для каждого набора генов имеется свой специфический репрессор.
3. Одна регуляторная область на ДНК часто регулирует работу не одного, а нескольких генов.
4. Имеется небольшое количество возможных уровней синтеза белка (“включено”, “выключено” и ряд промежуточных уровней), “плавная” регуляция с тонкой настройкой отсутствует.
Особенности организации эукариот требуют специфики
в регуляции синтеза белка
Эукариоты устроены значительно сложнее прокариот. Особенности организации их систем делают невозможным управление синтезом белков на прокариотическом уровне. Укажем лишь наиболее ярко выраженные особенности эукариот, выдвигающие новые требования к системам и путям регуляции синтеза белка:
– эукариоты намного больше прокариот по размерам генома, клетки, организма в целом,
– могут состоять из разных типов клеток,
– их жизненный цикл более сложен и продолжителен,
– ядерная ДНК находится не в одной молекуле, а представлена несколькими разными молекулами, уложенными в хромосомы.
– генотип в большинстве случаев диплоидный
– кроме ядерной ДНК, имеется ДНК митохондрий и хлоропластов, которая должна находиться под контролем ядра,
– из-за наличия ядра процессы транскрипции и трансляции разделены в пространстве и по времени.
Поэтому способы регуляции синтеза белка у эукариот более разнообразны, сложны и часто сильно отличаются от прокариотических.
|
|
|
В отличие от прокариот, у эукариот большинство генов “выключено”, репрессировано (работают механизмы, запрещающие синтез с них каких-либо продуктов), поэтому регуляция направлена на их “включение”. Большинство клеток эукариотического организма содержит полный набор генов, но обычно из этого набора для построения белков используется крайне незначительный объем информации. Постоянно транскрибируется не более 7 – 10% генов. Основная масса генов, активно функционирующих в большинстве клеток организма на протяжении онтогенеза, это гены, которые обеспечивают синтез белков общего назначения (рибосомальные белки, гистоны, тубулины и т.д.), тРНК и рРНК. Кроме этих постоянно необходимых генов имеется много других генов, синтез белков с которых возможен только в определенных типах клеток, при определенных метаболических условиях или во время дифференцировки (зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла и стадии индивидуального развития всего организма).
Второй особенностью эукариот является возможность более “плавной” регуляции. Если у прокариот скорость синтеза белка может принимать очень ограниченное число значений (“выключено” – “включено” или, в лучшем случае, с добавлением к этим крайним нескольких промежуточных положений), то у эукариот число возможных уровней интенсивности белкового синтеза резко возрастает.
Третьей особенностью эукариот является широкое использование ими принципов комбинирования (составления комбинаций): целый управляющий “сигнал” регуляторного воздействия, компонент системы регуляции или сама “пропись” белка (при альтернативном сплайсинге) составляется, как в детском конструкторе, из определенного набора элементов. Это комбинирование дает возможность собрать огромное количество уникальных управляющих “сигналов” из небольшого числа “деталей”. Например, относительно небольшое количество белковых факторов инициации транскрипции, образуя на промоторах разных генов разные сочетания, дают возможность РНК-полимеразе II выбрать нужный ген и начать его транскрибировать, а необходимая активность каждого гена эукариот регулируется сочетанным влиянием большого количества генов-регуляторов.
|
|
|
В качестве четвертой особенности можно указать активное использование эукариотами стратегии наработки мРНК не по потребности данного момента, а более или менее заранее, впрок. Такие метаболически стабильные мРНК необязательно сразу вступают в трансляцию, а их активность избирательно регулируется во времени и во внутриклеточном пространстве путем активации – инактивации.
Регуляторные элементы – последовательности на ДНК
В эукариотических клетках содержится несколько молекул ДНК. В связи с этим на ДНК различают следующие виды регуляторных последовательностей:
– цис-элементы (cis-acting elements) – регуляторные элементы, находящиеся на той же молекуле ДНК, что и регулируемый ими ген. К цис-элементам относится, например, промоторная область и энхансеры;
– транс-элементы (trans-acting elements) – находятся на другой молекуле ДНК, не на той, которая несет регулируемый ген. Примерами транс-элементов являются гены, кодирующие многие транскрипционные факторы.
У эукариот регуляторные элементы собраны в регуляторные регионы, имеющие сложную блочно-иерархическую организацию. Основной регуляторный элемент эукариот – это коровый (базальный) промотор. Он обеспечивает сборку базального транскрипционного комплекса (из основных факторов транскрипции и РНК-полимеразы) и инициацию транскрипции на базальном (исходном, базовом) уровне. Часто этот уровень так низок, что приводит к синтезу лишь единичных молекул РНК и, в дальнейшем, белков. Кроме корового промотора, экспрессия гена эукариот контролируется энхансерами (усилителями транскрипции – от англ. enhancer) и сайленсерами (глушителями, успокоителями, от англ. silencer) – регионами, подавляющими транскрипцию), которые могут быть расположены на ДНК очень далеко от точки начала транскрипции. На ДНК также имеются инсуляторы (англ. insulate – разобщать, изолировать) – это “пограничные столбы”, определяющие зону действия данного энхансера или сайленсера.
|
|
|
Транскрипция одного гена обычно зависит от суммы воздействий целого набора энхансеров, сайленсеров и других регуляторных районов ДНК.
Регуляторные белки
Регуляторные элементы ДНК могут оказывать свое влияние на транскрипцию гена лишь опосредованно, через регуляторные белки. Регуляторные белки, кодируемые транс-элементами (то есть не на той же самой молекуле ДНК, что и регулируемый ген), называют транс-действующими регуляторными факторами. Если белок кодируется цис-элементом, его называют цис-действующим фактором.
Белки, регулирующие транскрипцию благодаря их собственному высокоспецифическому взаимодействию с ДНК или стехиометрическому (но не ферментативному!) взаимодействию с другим ДНК-связывающим белком, называют транскрипционными факторами (TФ). Гистоны не относят к транскрипционным факторам, так как они при связывании с ДНК проявляют низкую специфичность (то есть могут связаться с ДНК практически по всей ее длине, а не на определенном коротком участке).
Регуляторные белки имеют домены для прикрепления к определенному регуляторному элементу ДНК и домены для белок-белковых взаимодействий. Для связывания с ДНК регуляторным белкам служат типичные фрагменты вторичной структуры – ДНК-связывающие мотивы. Известен целый ряд таких мотивов: “цинковые пальцы”, “спираль-поворот-спираль”, “лейциновая молния”, “спираль-петля-спираль” и другие. Два из названных мотивов представлены на рис. 12. Классификация транскрипционных факторов представлена в Приложении 4.
В отличие от прокариот, эукариотические регуляторные белки оказывают свой эффект не по одному, а в сочетаниях (комплексах). В транскрипционном комплексе (см. [7]) число общих и специфических факторов может доходить до 50, причем замена или отсутствие хотя бы одного из факторов приводит к изменению способности РНК-полимеразы инициировать транскрипцию на данном промоторе. Общие белковые факторы обязательны при сборке транскрипционного комплекса в районе промотора любого гена и на любой стадии развития, тогда как набор специфических белковых факторов будет меняться в зависимости от транскрибируемого гена, типа клеток, фазы жизненного цикла, средовых условий и т.д. (см. Приложение 4, классификация белковых факторов в зависимости от их функции).
|
|
|
Транскрипционные факторы, активирующие транскрипцию, называются позитивными, или активаторами, а подавляющие транскрипцию – негативными, или репрессорами. И те, и другие могут пребывать в активном и неактивном состоянии. Переход из неактивного состояния в активное у разных транскрипционных факторов происходит разными способами.
Перейдя в активное состояние, специфические транскрипционные факторы могут изменять активность основных транскрипционных факторов (например, TFIIB или TFIID) или конкурировать с ними за сайты связывания на ДНК. Например, некоторые эукариотические факторы-репрессоры связываются с ДНК так близко от промотора, что закрывают доступ к нему РНК-полимеразы. Другие транскрипционные факторы могут конкурировать с белками обратного действия. Например, репрессор может занять сайт на ДНК, предназначенный для белков-активаторов (так называемое “гашение” – quenching). В этом случае активаторы не могут присоединиться к ДНК и облегчить инициацию транскрипции.
2.2.3. Эффекторы
Эффекторы – это белки, сами не способные связываться с ДНК, но регулирующие функционирование белков, способных к такому связыванию (общих и специфических факторов). Взаимодействие эффектора с регуляторными белками изменяет их способность влиять на регулируемые гены. Например, эффектором является ингибиторный белок, после отщепления которого транскрипционный фактор переходит в активное состояние
Белки-эффекторы, присоединение которых заставляет функционировать активаторы, называются коактиваторами, взаимодействующие с репрессорами – корепрессорами. Как и сами транскрипционные факторы, и коактиваторы, и корепрессоры могут переходить из функционально активной формы в неактивную и обратно.
Множественность РНК-полимераз
Эукариоты имеют несколько РНК-полимераз Для инициации транскрипции каждая из этих РНК-полимераз должна присоединиться к соответствующим промоторным последовательностям на ДНК.
В отличие от прокариот, которые при поиске различных промоторов используют разные σ-факторы одной и той же РНК-полимеразы, более сложно устроенные эукариоты прибегают к другой стратегии – специализации молекул РНК-полимераз (не менее 3х форм РНК-полимераз в ядре + РНК-полимеразы митохондрий и хлоропластов). Работу этих разных РНК-полимераз можно регулировать независимо, тем самым независимо регулируя скорость образования тех или иных продуктов (в том числе – белков в случае РНК-полимеразы II).
|
|
|
2.3.2. Воздействие на общие и специфические факторы инициации транскрипции и варьирование их комбинаций в инициаторном комплексе
Эукариоты имеют возможность изменять скорость инициации транскрипции с помощью белковых факторов, участвующих в этом процессе. Так как для эффективного присоединения РНК-полимеразы к ДНК необходимо образование транскрипционного комплекса из многих белковых факторов, то регуляция возможна:
– за счет изменения активности каждого фактора по отдельности (пути такой регуляции указаны на рис. 13);
– за счет создания уникальных сочетаний белковых факторов (как общих, так и специфических) в условиях, требующих изменения интенсивности синтеза или спектра образуемых белков.
Пример того, как добавление специфического металл-активируемого транскрипционного фактора способствует “включению” синтеза белков, защищающих от тяжелых металлов, приведен в Приложении 5.
2.3.3. Изменение структуры хроматина – метилирование ДНК,
регуляция гистонами и другими белками
“Выключенное” состояние, типичное для большинства эукариотических генов, может достигаться особой компактной укладкой хроматина (гетерохроматином), которая образуется в результате взаимодействия ДНК со специфическими хромосомными белками.
Роль энхансеров и сайленсеров в регуляции сборки
инициаторного комплекса
Если у прокариот несколько разных цистронов регулируются одной регуляторной зоной (скоординированная регуляция), то у эукариот, наоборот, один структурный ген регулируется сочетанным влиянием большого количества генов-регуляторов (комбинационная регуляция), в том числе – энхансеров и сайленсеров.
Предполагаемый механизм влияния энхансера на транскрипцию, известный как “петлевая модель”, показан на рис. 17. На основе данных рентгеноструктурного анализа подробную динамичную картину действия комплекса инициации транскрипции с участием РНК-полимеразы II, факторов транскрипции и медиатора удалось построить исследовательской группе Р. Корнберга. За эти исследования Р. Корнберг был удостоен Нобелевской премии (2006 г.).
Под действием очень разнообразных и многочисленных специфических транскрипционных факторов-активаторов, взаимодействующих с энхансерами, базальный уровень транскрипции сильно возрастает. В разных средовых условиях и в разных типах клеток будут работать разные активаторы. Например, клетки печени содержат полный набор активаторов, нужных для усиления транскрипции гена альбумина. Эти факторы связываются со всеми необходимыми энхансерами, помогая осуществить эффективную транскрипцию гена, кодирующего альбумин. В клетках мозга некоторые из активаторов отсутствуют, что приводит к значительному снижению уровня транскрипции альбуминового гена. В итоге концентрация альбумина в мозге очень мала, а в печени – велика.
Роль процессинга мРНК, ее транспорта и стабильности
|
|
|
