Регуляция экспрессии генов у эукариот.

Существует несколько механизмов регуляции экспрессии генов у эукариот. Они контролируют практически все этапы экспрессии генов. Как и в предыдущем разделе (см. раздел 11.1.), рассмотрим механизмы регуляции только на уровне транскрипции.

Механизмы регуляции транскрипции.

К наиболее изученным относятся следующие.

1. Регуляция транскрипции через формирование инициирующего комплекса (ТИК).

Этот комплекс формируется следующим образом: факторы транскрипции взаимодействуют с сигнальными последовательностями ДНК промотора, создавая прочный белково-нуклеотидный комплекс. К нему присоединяется РНК-полимераза(состоящая, примерно, из 10 полипептидов). Этот многоэтапный процесс образования ТИК контролируется белками- регуляторами, которые, взаимодействуя с различными составляющими комплекса, могут ускорить образование ТИК или, наоборот затормозить его формирование.

2. Дистантное влияние на формирование ТИК.

У эукариот, как известно, имеется промотор, часто лежащий рядом с геном, но отсутствует оператор. Вместо него имеются регуляторные области, находящиеся в ДНК или рядом с промотором или на расстоянии (иногда значительном) от него. Эти регуляторные последовательности состоят из относительно коротких последовательностей ДНК. с которыми связываются белки-регуляторы. Эти белки регуляторы и влияют на формирование ТИК, которое происходит в области промотора. Пока не выяснено, каким образом, этот белок регулятор влиять на формирование ТИК, находящийся на достаточном удалении от белка-регулятора. Предполагают, что это связано с тем, что молекула ДНК в ядре делает петлю, в результате чего два участка (участок с белком регулятором и участок, где формируется ТИК) сближаются. Это позволяет белку регулятору влиять на образование ТИК (см. рис. 73). Считают, что именно таким образом, действуют белки регуляторы связанные с энхансерами и сайленсерами – участками ДНК размером 10 – 20 пар нуклеотидов Энхансеры увеличивают скорость транскрипции, сайленсеры замедляют.

Энхансер Сайленсер Белок-регулятор

сайленсера

Белок-регулятор

прикреплённый

к энхансеру

Петля ДНК Факторы

транскрипции

РНК-полимераза

Белок связанный

с ДНК промотором

Промотор

Рис.73. Петля ДНК. Белки-регуляторы, осаждённые на энхансере и сайленсере взаимодействуют с факторами инициации промотора.

3. Плейотропность в регуляции генов эукариот. Среди белков-регуляторов у эукариот существует своеобразная иерархия. Один главный белок-регулятор контролирует транскрипцию нескольких генов-регуляторов. Последние, в свою очередь, контролируют активность структурных генов.

Некоторые механизмы регуляции экспрессии генов, имеющиеся у эукариот отсутствуют у прокариот. Например, у прокариот нет таких эффективных механизмов регуляции, как модификация процессинга, влияние на интенсивность транспорта РНК из ядра в цитоплазму, изменение стабильности РНК и т.д.

а. Механизмы регуляции процессинга РНК у эукариот.

Один из способов регуляции экспрессии генов при созревании мРНК – альтернативный сплайсинг. О нём мы писали в разделе 7.5. Другой механизм – редактирование ДНК, когда первичная структура мРНК после транскрипции в одних случаях сохраняется а в других изменяется в результате мутации. В последнем случае про-иРНК может нести другую функцию или вовсе её утратить.

Приведём пример. Последовательности – УАА, УАГ и УГА являются терминирующими кодонами. Они располагаются в сайте терминации и служат сигналом остановки РНК-полимеразы и прекращения синтеза любой РНК. В результате мутаций в нутрии гена может происходить замена одного нуклеотида на другой. Например, при дезаминировании цитозин может превратиться в урацил. В этом случае кодон ЦАА, ЦАГ и ЦГА кодирующие аминокислоты (валин и аланин) превратятся в бессмысленные кодоны УАА, УАГ и УГА. Этот феномен, превращения смысловых кодонов в бессмысленные, в результате мутаций, используется в живых организмах в качестве регулирующего механизма. Так, у человека имеется ген, кодирующий образование липопротеинов ответственных за обмен жиров (в частности транспортировку их из кишечника в лимфу, а затем в кровь). Этот ген имеется во всех клетках организма человека, но функционируют он только в дух органах – в печени и кишечнике. И в печени и в кишечнике ген имеет одно и тоже строение и один и тот же нуклеотидный состав. В печени экспрессия гена реализуется в полипептид апопротеин В-100 (апо-В-100 или В-100), а в кишечнике синтезируется апопротеин, содержащий всего 48% нуклеотидных оснований по сравнению с В-100. Поэтому такой протеин назвали апопротеин В-48 или просто В-48. Оказалось, что в клетках кишечника, в середине гена кодирующего апопротеин находился (как и в клетках печени) триплет ЦАА, но в результате дезаминирования цитозин триплета превратился в урацил и триплет приобрёл статус бессмысленного кодона УАА. Понятно, что, подойдя к нему, РНК-полимераза заканчивает транскрипцию мРНК, в результате чего при трансляции формируется не 100% белок В-100, а В-48. Однако, и белок В-100 и белок В-48 исправно несут свои функции, хотя и отличающиеся друг от друга.

б. Механизм регуляции перехода мРНК из ядра в цитоплазму. Для участия в трансляции мРНК должна выйти из ядра (места своего синтеза) через ядерные поры в цитоплазму. Специальные ферменты нуклеазы расщепляют мРНК при таком переходе. Деградация приостанавливается, если мРНК связана с белком. Понятно, что в этом случае количественный выход мРНК из ядра в цитоплазму зависит от двух факторов: от количества ферментов расщепляющих иРНК и количества белка способного связаться с мРНК. Синтез нуклеаз и белка регулируются. Например, если клетке необходимо синтезировать большое количество гистонов (это бывает в синтетическом периоде, когда идёт интенсивный синтез ДНК и строительство нуклеосом из гистонов), то усиливается выработка белков взаимодействующих с гистоновой мРНК. Выход её в цитоплазму увеличивается.

Существуют и другие механизмы регуляции о которых мы только упомянем – регуляция стабильности мРНК, регуляция скорости трансляции, регуляция продолжительности жизни молекул белка и др.

В заключении необходимо отметить, что в изучении регуляции экспрессии сейчас всё большее значение придают химическим изменениям, происходящим в определённых участках генома. Наиболее известное из них – метилирование, т.е. присоединение к цитозину метильной группы (- СН₃). Такая модификация часто происходит в ДНК рядом с геном и существенно сказываясь на его работе. Важным является то, что метилирование не изменяет нуклеотидную последовательность ДНК, т.е. это не мутационная изменчивость. Не затрагивает метилирование и информацию в гене. Это не мутационная эпигенетическая изменчивость. Сейчас изучение этой изменчивости стало одним из важнейших направлений в генетики - эпигеномика (от греческого «эпи» – рядом, около).