Шановний п.Олександре, оскільки я цей текст не дивилася, то можуть бути всякі каверзи – зміна однини на множину іт.п. Було б добре віддрукувати англ. текст і так виправляти, а текст тоді все рівно треба буде дати Малюті чи комусь.

З повагою,

В.Троян

Розділ 28

РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ

1. Принципи регуляції генів

2. Регуляції експресії генів прокаріот

3. Регуляція експресії генів еукаріот

Фундаментальною проблемою хімічної фізіології і ембріології є розуміння того, чому у клітинах тканин одночасно не експресується увесь потенціал геному

• Франсуа Жакоб і Жак Моно (фран., Francois Jacob, Jacques Mono)

стаття із журналу Journal of Molecular Biology, 1961

Із близько 4000 генів типового бактерійного геному чи приблизно 35000 генів геному людини лише відносно невелика кількість експресується в клітині протягом певного відрізку часу. Продукти деяких генів наявні у великих кількостях, наприклад фактори елонгації, що необхідні для синтезу протеїнів, є одними із найбільш розповсюджених протеїнів в бактерій, а рибулозо 1,5 біфосфат карбоксилаза/оксигеназа рослин і фотосинтетичних бактерій (rubisco) є найбільш розповсюдженим ензимом біосфери. Інші продукти генів наявні у набагато менших кількостях. Так, наприклад, клітина може мати лише декілька молекул ензиму, який відновлює рідкісні пошкодження ДНК. Вимоги експресії для певних генів змінюються із часом. Потреба експресії ензимів відповідних метаболічних шляхів може збільшуватися або зменшуватись при зміні джерел поживи або їх вичерпуванні. Протягом розвитку багатоклітинного організму деякі із протеїнів, які можуть впливати на диференціювання клітини появляються лише на короткі проміжки часу у лише декількох клітинах. Спеціалізація клітинних функцій здатна драматично впливати на потреби різноманітних продуктів генів. Прикладом може слугувати винятково висока концентрація одиночного протеїну гемоглобіну в еритроцитах. Приймаючи до уваги високу ціну синтезу протеїну, регуляція експресії генів є необхідною для підтримування оптимального використання наявної енергії.

Клітинна концентрація протеїну визначається високочутливим балансом щонайменше семи процесів, кожен із яких має декілька потенційних точок власної регуляції.

1. Синтез первинного РНК транскрипту (транскрипція)

2. Постранскрипційна модифікація РНК

3. Швидкість деградації матричної РНК

4. Синтез протеїну (трансляція)

5. Посттрансляційна модифікація протеїнів

6. Зберігання протеїнів і їх транспорт

7. Деградація протеїну

Всі ці процеси сумаризовано на Рисунку 28-1. Ми також проекзаменували декілька із цих механізмів у попередніх розділах. Посттранскрипційна модифікація мРНК шляхом процесу, який має назву альтернативного сплайсингу (див. Рис. 26-19б) чи коректування РНК (див. Додаток 27-1) здатна регулювати які протеїни і в якій кількості будуть синтезовані із транскрипту мРНК. Велика кількість нуклеотидних послідовностей в мРНК може впливати на швидкість її утилізації (с.XXX). Багато факторів впливає на швидкість із якою мРНК транслюється в протеїн, а також посттрансляційну модифікацію, спрямування і кінцеву деградацію цих протеїнів (Розділ 27).

Цей розділ основним чином сфокусований на регуляції ініціації транскрипції, хоча тут також описуються і аспекти посттранскрипційної і трансляційної регуляції. Із регуляційних процесів зображених на Рисунку 28-1, процеси що відбуваються на рівні ініціації транскрипції описані найкраще і, можливо, є найбільш розповсюдженими. Як і у всіх біохімічних процесах, найефективніше місце регуляції знаходиться на початку ланцюгу реакцій. Через енергетичну дороговизну процесів синтезу молекул здатних переносити інформацію, виникли доскональні механізми, які регулюють такі процеси. Дослідники продовжують натрапляти на складні і деколи навіть дивні регуляторні механізми, але здебільшого, а особливо в еукаріот, найважливіше місце серед процесів регуляції утримують посттранскрипційні і трансляційні механізми. Крім того, і самі по собі регуляційні процеси можуть потребувати значної інвестиції хімічної енергії.

Контроль ініціації транскрипції дозволяє синхронізацію регуляції багаточисельних генів, які кодують взаємозалежної продукти. Так, наприклад, при серйозному пошкодженні власної ДНК бактерійні клітини потребують скоординованого підвищення рівня багатьох ензимів, які будуть задіяні для її репарації. Можливо найбільш досконала форма такої координації наявна у складних процесах розвитку багатоклітинних еукаріот у яких може бути задіяно багато видів різних регуляторних механізмів.

Ми почнемо із вивчення взаємодій між протеїнами і ДНК, які є найголовнішими у регуляції процесів транскрипції. Після цього ознайомимось із спеціальними протеїнами, які впливають на експресію специфічних генів у прокаріотичних і еукаріотичних клітинах. Інформація про посттранскрипційну і посттрансляційну регуляцію описана, де це доречно, в обговоренні, для забезпечення більш повного огляду великої складності регуляторних механізмів.

28.1 Принципи регуляції генів

Продукти генів необхідних завжди, наприклад продукти генів ензимів центральних метаболічних ланцюгів реакцій, експресуються на більш чи менш постійному рівні практично у кожній клітині організму. Такі гени чато називають господарськими генами (англ., housekeeping genes). Незмінна експресія генів називається конститутивною експресією генів.

Гени, концентрація продуктів яких в клітині зростає та спадає у відповідь на певні молекулярні сигнали, називаються генами регульованої експресії. Продукти генів концентрація яких зростає під впливом інших молекулярних обставин, називають індукованими генами, а процес зростання їх експресії – індукцією. Експресія багатьох генів, які кодують ензими репарації ДНК стимулюються високим рівнем пошкодження ДНК. І навпаки, продукти генів, концентрація яких зменшується у відповідь на певний молекулярний сигнал називають репресивними, а цей процес називають репресією. Так, наприклад, в бактерій наявність надлишкового триптофану призводить до репресії генів, які каталізують біосинтез останнього.

Транскрипція, а особливо така, що задіяна в протеїнових компонентах РНК полімерази (Розділ 26) опосередкована і регулюється взаємодією між ДНК і протеїнами. Спочатку ми розглянемо як регулюється активність РНК полімерази, а згодом прийдемо до загального опису протеїнів, які беруть участь в цих процесах. Потім ми вивчимо молекулярну базу розпізнавання специфічних послідовностей ДНК ДНК-зв’язуючими протеїнами.

Рисунок 28-1.

Сім факторів, що впливають на концентрацію протеїну.

Кожен із цих факторів має декілька потенційних точок регуляції.

Підписи: ДНК; Ген; Транскрипція; Первинний транскрипт; Нуклеотиди; Посттранскрипційний процесинг; Функціональна РНК; Деградація мРНК; Трансляція; Протеїн (неактивний); Амінокислоти; Деградація протеїну; Посттрансляційний процесинг; Модифікований протеїн (активний); Спрямування і транспорт протеїну.

РНК полімераза зв’язується до ДНК у місці промоторів.

РНК полімераза приєднується до ДНК і ініціює транскрипцію у місці зв’язування із промоторами (див. Рис. 26-5) - місцями, що знаходяться близько до точок в яких починається синтез РНК на матриці ДНК. Регуляція ініціації транскрипції часто призводить до змін природи взаємодії РНК полімерази із промотором.

Нуклеотидні послідовності промоторів є достатньо відмінними один від одного, таким чином впливаючи на зв’язувальну активність РНК полімерази і, як наслідок, частоту транскрипції.

Деякі гени E.Coli транскрибуються один раз за секунду, а інші менше одного разу за всі генерації клітини. Така відмінність пояснюється різницею послідовностей нуклеотидів промоторів. У випадку відсутності регуляторних протеїнів, відмінність нуклеотидних послідовностей промоторів здатна змінювати частоту ініціації транскрипції у 1000 чи навіть бальше разів. Більшість промоторів E.Coli має послідовність, що є близькою до послідовності консенсуса (Рис. 28-2). Мутації, наслідком яких є відхід від послідовності консенсуса зазвичай знижують активність промотора і навпаки, мутації по наближенню до консенсусної послідовності зазвичай підвищують промоторні функції.

Незважаючи на те, що господарські гени експресуються конститутивно, клітинна концентрація протеїнів, які вони кодують дуже може суттєво змінюватися. Для таких генів взаємодія РНК полімерази із промотором здатна сильно впливати на швидкість ініціації транскрипції. Різноманітність промоторних послідовностей нуклеотидів дозволяє клітині синтезувати необхідний рівень кожного із продуктів господарських генів.

Початкова швидкість ініціації транскрипції в місці промоторів господарських генів також визначається послідовністю промоторів, проте експресія цих генів надалі модулюється регуляторними протеїнами. Функція багатьох таких протеїнів полягає у сприянні або перешкоджанні взаємодії між РНК полімеразою і промотором. Послідовності нуклеотидів промоторів еукаріот є більш мінливими аніж промоторів прокаріот (див. Рис. 26-8). Зазвичай, трьом еукаріотичним РНК полімеразам потрібно набір транскрипційних факторів для того, щоб приєднатися до промотора. У випадку експресії прокаріотичних генів базовий рівень транскрипції визначається впливом промоторної послідовністі на функції РНК полімерази і асоційованих із нею транскрипційних факторів.