9.6. Регуляция экспрессии генов у эукариот

В эукариотических клетках, также как и у прокариотических, образование определенных ферментов индуцируется присутствием их субстратов.

У эукариот опероны не обнаружены. Гены, контролируещие один метаболитическтий путь, у эукариот часто разбросаны по всему геному. Большинство (если не все иРНК) у эукариот моноцистронные, тогда как у прокариот иРНК полицистронная.

У эукариот, которые имеют нуклеосомную организацию хроматина, сложное строение гена, большое число факторов регуляции надклеточного уровня, включая факторы нервной и эндокринной систем, регуляция экспрессии генов очень сложная и осуществляется на многих этапах, ведущих от ДНК к белку.

9.6.1. Контроль на уровне транскрипции

Обобщённая схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г.П. Георгиевым (1972). В эукариотических клетках, также как и прокариотических, в основе регуляции лежат принцип обратной связи, но механизмы ее более сложные (рис.9.8.).

Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном, который состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная зона включает промотор с инициатором и группу генов-операторов. Информативная зона представлена структурным геном, состоящим из экзонов и интронов (напомним, экзоны кодируют аминокислоты, а интроны - не кодируют аминокислот). Заканчивается транскриптон терминатором

Работу транскриптона регулирует несколько генов-регуляторов, несущих информацию для синтеза нескольких белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные вещества, для расщепления которых требуется несколько ферментов. Когда индукторы освобождают операторы от белков- репрессоров, РНК-полимезатора инициатирует транскрипцию на смысловой цепи структурного гена.

Рис.9.8. Схема регуляции транскрипции у эукариот

В результате транскрипция, которая заканчивается в зоне терминации, образуется про-информационная или гетерогенная ядерная РНК (про-иРНК, гя-РНК). Она контролирует всю нуклеотидную последовательность смысловой цепи ДНК структурного гена, т.е. включает экзоны и интроны. После этого гя-РНК претерпивает процессинг, или процес образования функционально активных и-РНК. Важным этапом процессинга является сплайсинг, в результате которого соеденяются экзоны и образуется иРНК (моноцистронная). Зрелая иРНК выходит их ядра в цитоплазму, соеденяется с рибосомами и служит матрицей для синтеза белка - фермента.

Кроме участка регуляторных генов, регуляция транскрипции у эукариот может осуществлятся путем спирализации – деспирализации хроматина. Хорошо известно, что деконденсация хроматина является необходимым условием для экспрессии гена.

На процессы «включения» и «выключения» генов оказывают влияния различные хромосомные перестройки, мигрирующие генетические элементы, изменяющие эффект положения гена.

Существенное влияние на транскрипцию генов у эукариот имеют гормоны (рис. 9.9.).

Контроль на уровне процессинга может осуществляться путем альтернативного сплайсинга. При этом «сшивание» отдельных информативных участков про-иРНК происходит по разному, в результате чего на основе одной и той же нуклеотидной последовательности одного гена образуются разные белки, состоящие из разных сочетаний одних и тех же аминокислот.

Рис. 9.9.

Действие стероидных гормонов, изменяющее транскрипцию. Гормон связывается с рецептором в клеточной мембране и вместе с ним направляется к клеточному ядру. Здесь он стимулирует транскрипцию определенных генов в мРНК.

Процессинг имеет избирательный характер, так как примерно половина гя- РНК распадается в ядре и не превращается в зрелую иРНК.

Контроль на уровне трансляции. В этом случае регуляция определяет, какие иРНК транслируются рибосомами и как часто они транслируются. На уровне трансляции обнаружена избирательная активность т-РНК, гормональные влияния на процессы синтеза белка.

Контроль на уровне посттрансляционной модификации белка. Процесс реализации генетической информации завершается посттрансляционной модификацией полипептида и превращение его в функционально активную молекулу белка. При этом происходит различные модификации аминокислот (ацетилирование, фосфорилирование), удаление некоторых из них, формирование вторичной, третичной, четвертичной структуры белка, функционально активных ферментов, гормонов и других веществ белковой природы. Все эти процессы происходят при участии большого числа факторов регуляции клеточного метаболизма.

Регуляция генной активности тесно связана с метаболизмом клетки, а также влиянием на нее целого ряда эндо- и экзогенных факторов и играет важную роль в сохранении динамического относительного постоянства состава и свойств клетки (гомеостаза). Ибо в связи с изберательной генной активностью сиснтезируются необходимые для жизнедеятельности клетки структурные белки и белки-ферменты через посредство которых осуществляются все прпоцессы ассимиляции и диссимиляции клетки.