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 t_1/2, 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

Различия в продолжительности жизни молекул белка

После того как белки синтезированы, время их жизни регулируется протеазами.! Разные белки имеют разные t_1/2: от нескольких часов до нескольких месяцев, а иногда и лет (н-р, период полураспада некоторых белков в клетках млекопитающих: ф. Альдолаза - T_1/2,ч 118; Цитохром С – 150).

! Ферменты, катализирующие регуляторные реакции метаболических путей, как правило, подвергаются быстрому расщеплению, поэтому скорость обновления этих молекул достаточно высока.

! Некоторые белки расщепляются лизосомными ферментами.

! Для других белков показано расщепление в цитоплазме протеазами, их метят путём присоединения белка убиквитина, он обнаружен у многих организмов.

Точная работа всех матричных биосинтезов - репликации, транскрипции и трансляции - обеспечивает копирование генома и воспроизведение фенотипических характеристик организма в поколениях, т.е. наследственности.

Установлено, что геном постоянно претерпевает разнообразные изменения. Несмотря на эффективность механизмов коррекции и репарации ДНК, часть повреждений или ошибок в ДНК остаётся.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: