8.4. Элементы регуляции экспрессии генов

Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Различия между типами клеток обусловлены главным образцом тем, что в дополнение к многочисленным белкам, необходимым любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют свой набор специализированных белков: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах гемоглобин и т.д. Это приводит к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, т.е. к дифференцировке. Дифференцировка почти всегда необратима, кроме того, высоко дифференцированные клетки, как правило, производят большее количество белков одного или всего нескольких типов. Можно предположить, что клеточная дифференцировка, возможно, связана с увеличением числа или утратой каких-либо генов в геноме клеток.

Однако ни одно из этих предположений не нашло подтверждений. Результат эксперимента, в котором ядро клетки кишечника головастика пересаживали в яйцеклетку, где собственное ядро было удалено, свидетельствует, что дифференцированные клетки многоклеточного организма содержат последовательности ДНК, обеспечивающие возможность развития целого организма. Таким образом, лишь за небольшим исключением, клеточная дифференцировка, по-видимому, обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Среднее время жизни молекул мРНК ограничено. Затем они расщепляются до нуклеотидов. Разрушая старые мРНК и образуя новые, клетки довольно строго могут регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество. Это регуляция на уровне транскрипции. .

Возможна также регуляция на уровне трансляции, главным образом у эукариот. В этом случае регуляция определяет, какие мРНК транслируются рибосомами и как часто они транслируются.

В зависимости от типа клетки значимость разных уровней регуляции белкового синтеза может варьировать, однако не вызывает сомнения то, что наиболее важным является механизм регуляции синтеза молекул РНК.

Контроль на уровне транскрипции у бактерий осуществляют регуляторные белки: белки-репрессоры и белки-активаторы. Они присоединяются к специфическим нуклеотидным последовательностям ДНК, что способствует или препятствует транскрипции генов. В транскрипционных единицах ДНК существуют перекрывающиеся последовательности: промотор – участок связывания РНК-полимеразы и оператор – участок связывания регуляторных белков. Соединяясь с оператором белок-репрессор препятствует присоединению РНК- полимеразы к промотору ДНК; в результате транскрипция прилегающего района ДНК не происходит.

Белок-активатор, присоединившись к оператору, облегчает связывание РНК-полимеразы и тем самым обеспечивает транскрипцию гена.

Регуляторные белки, в свою очередь служат посредниками между средой и ДНК клетки. Некоторые вещества, проникающие в клетку могут связываться с регуляторными белками и менять пространственную структуру этих молекул. Это либо повышает, либо понижает их сродство к ДНК и таким путем либо включает, либо выключает транскрипцию генов.

У эукариот регуляция синтеза белка протекает значительно сложнее, чем у прокариот. У эукариот наряду, с регуляторными процессами, влияющими (как и у прокариот) на функции и жизненный цикл отдельной клетки, существуют и такие процессы, которые влияют на развитие всего организма. Специфический для каждой клетки набор активных генов постепенно формируется в процессе индивидуального развития эукариотического организма. Характер генной экспрессии передается клетками из поколения в поколение и обусловливает возникновение значительно отличающихся друг от друга клеточных типов одного организма, хотя геномы этих клеток идентичны.

В типичной эукариотической клекте многоклеточного организма транскрибируемая часть генома составляет около 7%. Весьма мало вероятно, чтобы остальные 93% ДНК были заблокированы большим числом специализированных белков-репрессоров. Логично допустить, что клетки эукариот имеют какие-то общие механизмы репрессии генов. В большинстве же своем регуляторные белки активируют функцию генов, включая при необходимости те или иные транскрипционные единицы. Активация эукариотических генов, по-видимому, происходит в две стадии: сначала хроматин претерпевает определенные структурные модификации, вследствие чего происходит его частичная деконденсация, а затем в определенных участках деконденсированного хроматина начинается транскрипция.