17. Эукариот жүйесінде гендер экспрессиясының реттелуі. Эукариот гендерінің структуралық күрделілігі. Эукариот гендерінің мозайкалы структурасы.

Жоғарғы сатыдағы эукариоттардың арнайы клеткаларының арасындағы өзгешелік ең алдымен белоктардың әртүрлі жиынтығын синтездеуіне байланысты. Осындай өзгешеліктерге жауапты ген экспрессиясы бақылануының жүйесі негізінен ДНҚ транскрипциясы деңгейінде әсер етеді.

Әрбір ген транскрипциясының реттелуі ерекше орналасқан элементтердің арнайы жиынтығының транскрипцияға тиісті факторлардың және транскрипциясының инициациясына әсер етуші белокты факторлардың болатындығымен анықталады. Транскрипцисы РНҚ-полимераза II-мен басталатын әдеттегі гендерде транскрипция инициациясы нүктесінен жоғары орналасқан промотор болады. Онда бірнеше қысқа келген (10 ж.н.) нуклеотидтер тізбегі бар, олармен транскрипция факторлары байланысады. Бұл тізбектер ұзындығы 200 ж.н. артығырақ бөлімшеде бытырап жатады. Олар позитивті және негативті болуы мүмкін. Энхансерде транскипция факторларын байланыстыратын жақын орналасқан бірнеше элементтер болады. ДНҚ-ның реттеуші тізбектері транскрипцияның инициациясы әрі оның жылдамдығымен жиілігін реттеу үшін де қажет.

Сондықтан промоторлы аймақ РНҚ-полимераза II және транскрипцияның жалпы факторларын құрайтын бөлімшеден тұрады, сонымен қатар әртүрлі реттеуші белоктарды немесе транскрипцияның ерекше факторларын байланыстыратын тізбектердің көптеген реттеуші элементтері де болады . Промотор әдетте транскрипцияның басталу нүктесіне дейін 20-30 нуклеотидтерді қамтитын А-Т-ға бай келетін тізбектерден тұрады (5-ТАТАААА-3). Промотордың бұл бөлімшесі Гольдберг–Хогнесс боксы деп аталады (прокориоттардығы Прибнов-боксқа ұқсас) немесе жай ғана ТАТА тізбегі делінеді. ТАТА-тізбегі транскрипцияның басталу нүктесін бақылауы мүмкін. Мұндай тізбектің болуы транскрипциялық бірліктерге тән болып келеді, оның оқылуына РНҚ-полимераза II қатысады. Содан соң CААТ (5-GGCCAATCT-3) және GC (5-GGCCGG-3) домендері келеді. Шамасы CААТ РНҚ-полимеразаның промотормен алғашқы байланысын бақылайтын болуы керек. GC доменінің көмегімен РНҚ-полимеразаның транскрипцияның басталу нүктесі аймағымен байланысуы жүзеге асады. Промоторларда әртүрлі элементтердің комбинациясы болуы мүмкін, бірақ элементтердің бірде-бірі барлық промоторларда кездесе бермейді.

Эукариотттарда реттеуші белоктар көбінесе гендердің активтілігін арттырушы ретінде әсер етеді және қажет болған жағдайда қандай-да болмасын транскрипциялық бірліктерді өзіне қосып алады. ДНҚ-ға промотор маңынан келіп қосылатын белок репрессорлардан айырмашылығы бұл кезде РНҚ-полимеразаны байланыстыратын бөлімше қоршалады, ал белок – активаторлар керісінше РНҚ-полимеразаның келіп жетуін жеңілдетеді, себебі ол ДНҚ-ға промотор шекарасында-ақ қосылады. Бірақ басқа жағынан белок – активаторлар репрессорға өте ұқсас болып келеді. Эукариоттардың реттеуші белоктары ген активтілігінің позитивті немесе негативті реттеушілері ретінде қызмет атқаруы мүмкін (бұл нақты геннің ерекшеліктеріне байланысты). Әртүрлі ұлпалардың дамуын қамтамасыз ету үшін реттеуші белоктар бір мезгілде көптеген гендердің активтілігін реттеу ретінде әртүрлі комбинацияда қолданылуы мүмкін.

Бұл механизмдердің ерекшелігі олардың әмбебаптығы (универсалдығы) болып табылады. Мысалы, ашыту бактериясы мен дрозофиланың транскрипция факторы сүтқоректілердің транскрипциялық комплексінің реттеуші элементтерімен сүтқоректілердің соған сәйкес факторы сияқты әрекеттесе алады. Кейде керісінше жағдай да байқалады. Осыдан келіп ерекше молекулалардың құрылымы эволюция барысында сақталып отырады деген қорытынды жасауға болады.

Эукариоттардың функциональды-генетикалық құрылымының аса маңызды ерекшелігі – оларда бактериялардың оперондары сияқты жалпы бақылаудағы оперондардың болмайтындығы. Тіпті кезектесіп жүріп отыратын реакцияларды бақылайтын гендердің өзі хромосоманың әр жерінде немесе әртүрлі хромосомаларда орналасады. Гендер экспрессиясының реттелуіне жауапты ДНҚ тізбегі молекуланың әр жерінде, әртүрлі қашықтықта болады және транскрипцияның басы мен аяғындағы сайттардан жан-жаққа бағытталады. Сонымен қоса РНҚ-полимераза I, II және III гендердің үш түрлі класын транскрипциялайды және оның әрқайсысына транскрипцияны реттеудің өзіндік тәсілдері мен терминация сигналдары тән болып келеді.

Соған қарамастан эукариоттарда клеткалардағы қайсыбір функцияларды анықтайтын гендер жұмысының координациясы байқалады. Эукароиоттарда жеке клетканың қызметіне әсер ететін реттеуші процесстермен қатар тұтас организмді реттейтін жүйелер де бар. Көп клеткалы организмдердің эволюциясы клеткалардың бір-бірімен байланыс жасау қабілетіне негізделген. Мұндай қабілет клеткалардың дамуын реттеу және олардың бір ұлпаға бірігіуі үшін, клетканың өсуі мен бөлінуінің бақылануы үшін және олардың әртүрлі активтіліктерінің координациясы үшін қажет. Жоғары сатылы жануарлардағы көп клеткалы әрекеттесулердің аса маңыздылығы мен күрделілігі оларда гендердің басым бөлігі осы процестермен байланысты деп болжауға мүмкіндік береді.

Омыртқалы жануарлардың дамуы мен физиологиясының көптеген ерекшеліктері арнайы эндокринді клеткаларда түзілетін әртүрлі стероидты және өзінің әсері жағынан соған ұқсас гормондарға байланысты болады, олар қан арқылы таралады және организмнің әртүрлі бөліктерінде кездесетін нысана – клеткаларға әсер етеді. Гормондардың көпшілігінің нысана – клеткаға әсер етуі ақыр аяғында ондағы бұрыннан бар белоктардың қасиеттерімен түзілуі жылдамдығының өзгеруіне немесе жаңа белоктар түзілуінің инициациясына алып келеді. Организм клеткаларының әрбір түрінде өзіне тән белок – рецепторлардың жиынтығы болады, олар стеоридты гормондарды байланыстырады. Гормонның келіп қосылуы рецепторлы белок конформациясының өзгерісін тудырады және оның ДНҚ-мен байланысу қабілетін арттырады. Рецепторлық белоктар ядролық саңылаулар арқылы ядроға өтетіндіктен олардың ДНҚ-мен бірігіуі артқан кезде гормон-рецепторлық комплекстер ядроға жинақталады. Ядрода гормон-рецепторлық комплекс хроматинге келіп қосылып арнайы гендердің транскрипциясын индукциялайды. Ядролық рецепторладың активациясы арқылы тиреоидты гормондар да әсер етеді.

Көптеген жағдайда стероидты гормонға деген реакция екі сатылы болады. Алғашқы кезде синтезделетін кейбір белоктар, екіншісіне жауапты гендерді іске қосады, ал қалғандары керісінше алғашқы жұмысқа қатысатын гендердің активтігін басады. Бұл гендердің кейбіреулерінің өнімдері өз кезегінде басқа гендерді активтендіруі мүмкін. Мысалы, жеміс шыбыны дрозофилада насекомдарды түлететін стероидты гормон – экдизонды еккеннен соң 5-10 минуттың ішінде сілекей бездерінің политенді хромосомаларында РНҚ-ның активті синтезі жүретін жаңа алты бөлімше пайда болады (олар пуф тәрізді болып көрінеді). Біраз уақыт өткеннен кейін алғашқы кезде синтезделген белоктардың кейбіреулері РНҚ синтезінің жүздеген жаңа бөлімшелерін индукциялайды, ал ол екінші кезектегі қызметке тән белоктардың үлкен бір тобының пайда болуына алып келеді. Алғашқы белоктардың біреуі немесе бірнешеуі алғашқы әрекетіне қатысатын барлық гендердің транскрипциясын кері байланыс принципі бойынша алып тастап бүкіл қызметтерді өзі басқарады. Осы тәрізді механизмдердің сүтқоректілер клеткаларында да гормондардың әсерін реттеуі немесе жеделдетуі әбден мүмкін.

Әрбір стероидты гормон өзінің ерекше рецепторлы белогымен танылады, бірақ бір рецептор әртүрлі нысана-клеткаларда гендердің әртүрлі жиынтығын реттейді. Гормон-рецепторлы комплекстің хроматиннің ерекше бөлімшелерімен байланысуы арқылы гендердің транскрипциясын реттейді деген көзқарасты қазір көпшілік мойындайды

Полипептидтік гормондар мен өсу факторлары нысана-клеткалардың сыртындағы ерекше рецепторларға қосыла келіп транскрипцияға әсер етеді .Сыртқы рецепторлар активтенген мембраналық аденил-атциклазаның көмегімен клеткаішілік сигналдарды тудырады, ал ол плазмалық мембрананың ішкі жағындағы АТФ-тан циклдік 3, 5 - АМФ (цАМФ) синтезін катализдейді.

Басқа жағдайларда клеткадан тысқары лигандамен активтенетін фермент плазмалық мембранадағы иондық каналдардың активтілігін реттей отырып, протеинкиназалардың көмегімен тікелей клеткадағы белоктарды фосфорлайды. Лиганданың келіп қосылуы ол рецепторларды активтендіреді, соған байланысты каналдар ашылады да цитозольға Са2+ иондары келіп жетеді, олар екінші кезектегі делдалдық қызметті атқарады.

цАМФ пен Са2+-ді екінші делдал ретінде пайдалану сыртқы сигналды біршама күшейтуге және оның қандай клеткаға болса да ерекше әсер етуіне мүмкіндік туғызады.

Жылулық шокқа (физиологиялықтан жоғары температурада ұстау) жауап ретінде аздаған белоктарды синтездеу кез-келген эукариотты организмдерге тән қорғану реакциясы болып табылады. Әдетте бұл жағдайда қалыпты белоктардың синтезі күлт тоқтайды да, жылулық шоктың ерекше белоктары (hsp-белоктар) синтезделе бастайды. Бәлкім мұндай реакция өзгеріп жатқан ортада организмнің тірі қалуы үшін қажет болуы мүмкін, себебі hsp-белоктарының синтезіне кедергі келтіретін мутациялар көбінесе летальды болып келеді.

Дрозофилада мұндай белоктарды кодтайтын гендер жан-жақты сипатталған. Бұл гендердің 5- шетіндегі жерлерінен біршама құрылымдық ұқсастықтар байқалады. Нsp–белоктардың (ағылшынша heat shock proteins –жылу шок белоктары) синтезі жылулық шок гендері транскрипциясының активтілігіне байланысты. Индукция ешбір кідіріссіз жүреді, онда жылулықтың әсерінен бір сағаттың ішінде мРНҚ мөлшері бір клеткада бірден мың молекулаға дейін өседі. Әртүрлі организмдердегі жылулық шоктың гендерін клондау және секвенирлеу мұндай әсерге берілетін транскприциялық жауаптың негізгі ерекшеліктерін білуге мүмкіндік берді. Әдетте жылулық шокқа жауап ретіндегі транскрипцияны реттеуді жүзеге асырушы промоторлар ТАТА – бөлімшенің алдында 200 н.ж. ұзындықта шашыраңқы орналасқан тізбектен тұрады.

Әртүрлі организмдердегі жылулық шоктың көптеген промоторларының реттеуші аймақтарынан табылған бұл заңды тізбек 5–CNGAANTTCNG–3 түрінде болады, мұнда N – төрт негіздің кез-келегеніне тән.

Кейбір гендердің экспрессиясына негізгі нуклеотидтік тізбектерге тиіспей-ақ геннің экспрессиясына қабілетін өзгерте алатын эпигенетикалық факторлар әсер етеді. Эпигенетикалық өзгерістің белгілі бір түрі ДНҚ-ның қос спиральіндегі цитозин қалдықтарының метилдену дәрежесіне байланысты. Жоғары сатыдағы эукариоттардың көпшілігінің, соның ішінде адам ДНҚ-да цитозиннің метилденуі нәтижесінде пайда болатын 5-метилцитозиннің аздаған мөлшері болады. ДНҚ метилденуінің жалпы нұсқасы (метилденген нуклеотидтердің келесі ұрпақтың ДНҚ молекулаларында қайтадан шығуы) сүтқоректілер клеткаларында осы процесті жүзеге асыратын ферменттің ерекше қасиеттері арқасында тұрақты түрде тұқымқуалайтындығы белгілі. Біріншіден, C қалдықтары тек ғана CG тізбегінде метилденеді, екіншіден CG тізбегі метилденген CG тізбегімен жұптасуы керек. Осы бөлімшедегі метилдену дәрежесінің көтерілуі көршілес ген экспрессиясының кемуімен немесе толық басылуымен, ал метилдену дәрежесінің төмендеуі экспрессия дәрежесінің артуымен сәйкес келеді. Транскрипция факторларын байланыстыру бөліміндегі CG-динуклеотидтердің метилденуі олардың бірігуіне тосқауыл жасап промотордың қызметін басып тастауы мүмкін. ДНҚ метилдену барысындағы өзгерістердің белгілі бір гендерді іске қосу немесе шығарып тастау үшін қолданылуы мүмкін.

Эукариотты клеткалардың ядроларындағы ДНҚ-ның алып молекулалары өте берік түрде хроматиндік құрылымға оралған, оның өзі аса көп спиральданған ДНҚ болып табылады. Транскрипцияға ДНҚ құрылымдағы қайтымды өзгерістер әсер ете алады деген нақты деректер бар. Бұл, мысалы, ДНҚ-ның аса спиральдану дәрежесінің, яғни оның топологиясының өзгерісі болуы мүмкін, ал соған сәйкес конформация да өзгереді (мысалы, ДНҚ- ның В-формасынан Z- формасына немесе басқа формаларға ауысуы).

Жоғары деңгейдегі спиральдардың пайда болуы ДНҚ-ын клетканың транскрипциялық аппаратының әсеріне шалдықпайтындай етеді. Транскрипция процесі хроматин құрылымындағы өзгерістерге байланысты. Транскрипция қарқынды түрде жүретін тізбектердегі хроматин құрылымының өзгеретіндігіне олардың ДНҚ-аза I көмегімен ыдырауға сезімталдығының жоғары болуы дәлел бола алады. Активті гендер аймағындағы ДНҚ-аза I-ге сезімталдығының артуы хроматиннің ашық бөлімшелерінің пайда болуына байланысты деп есептейді. Осындай ДНҚ-аза I-ге гиперсезімтал хроматин аймағының болуы геномның түрлі бөлімшелерінде әртүрлі құрылымдардың бар екендігін көрсетеді. Бұл өзгешіліктердің кейбіреулерінің гендерінің экспрессиясы және олардың реттелуі тұрғысынан алып қарағанда функциональдық мәні болуы мүмкін. Активті гендері бар нуклеосомалардың Н1 гистонының аз мөлшері болатындығымен сипатталатындығы анықталған, олар ацетилденген гистондармен байытылған және анық қышқылдық қасиеті бар белоктармен байланысты. Бұл модификациялар, шамасы гистонның ДНҚ-мен байланысуына әсер етіп нуклеосомалардың ретсіз таралуына ықпалы болуы мүмкін, соның салдарынан ДНҚ нуклеазалық ыдырауға біршама сезімтал бола бастайды. Айталық, жылулық шоктың белоктарын кодтайтын гендердің нуклеазалық ыдырауы сайттарының қалыпты түрде кезектесіп келіп отыруы жылулық индукциядан соң ауысып кетеді.

РНҚ процессингі деңгейіндегі реттелуі толық жетілген, қызметі активті мРНҚ-ның пайда болу мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Бұрын біз (12 тарауда) эукариоттар ядросында синтезделетін хромосомалық ДНҚ транскрипциясының өнімдері рибосомаға барып трансляцияға қатысатын цитоплазмадағы матрицалық РНҚ-ға қарағанда анағұрлым ірі келетіндігін айтқан болатынбыз. Осындай ДНҚ-мен транскрипцияланған, әрі ядрода болатын гетерогенді ядролық мРНҚ-да (оларды басқаша про-мРНҚ немесе гяРНҚ деп атайды) интрондар болады. Осы про-мРНҚ-дан трансляцияланатын мРНҚ-ға айналу үшін ол пісіп жетілуден немесе процессингтен өту керек.

Алдымен про-мРНҚ-нан ДНҚ-ның интронды бөлімшелеріне сәйкес келетін тізбектер кесіліп түсуі керек. Интрондар кесілгеннен соң ДНҚ-ғы экзондарға сәйкес келетін, қалған РНҚ тізбектері өзара бірігіп сплайсингтің көмегімен толық жетілген мРНҚ түзеді. Эукариоттардағы мРНҚ-ның пісіп жетілуінен тек қана сплайсинг емес, сонымен қатар оның кейбір қосымша модификациялары да қатысады: 5-ұшына 7-метилгуанозиннің немесе “кэп”-тің қосылуы (“кэп”- ағылшынша «бөрік» деген ұғымды білдіреді), сол сияқты 3-ұшына оннан бірнеше жүздікке дейінгі аденил қышқылының қалдықтарымен толықтырылуы. Яғни полиаденилатполимераза ферментінің көмегімен полиаденилденуі жатады. Бұл модификациялар эукариоттық мРНҚ-ның қалыпты қызмет атқаруы үшін қажет.

ДНҚ сплайсингімен байланысты реттелу көптеген гендердің, соның ішінде, антиденелердің синтезін кодтайтын гендердің негізінде зерттелген. РНҚ процессингінде болатын өзгерістер антидененің мембрана тәріздес синтезінің оның секреттеуші формасына көшуіне алып келеді

Антидененің мембранды формасы ДНҚ-ның барлық кодтаушы тізбегінің транскрипциясы нәтижесінде пайда болады, ол ядролық РНҚ-ның алғашқы ұзын транскриптінің түзілуіне мүмкіндік береді. Антиденені кодтаушы геннің алғашқы ұзын транскриптінің 3-ұшында орналасқан интронды тізбек РНҚ процессингі барысында аластатылады. Антидененің мембрандық формасын (имуноглобинді) кодтайтын мРНҚ молекуласы осылай түзіледі.

Антигендік стимуляцияға жауап ретінде керісінше, аталған акцепторлық сайты жоқ алғашқы қысқарған транскрипт синтезделеді. Сондықтан ұзын транскриптінің сплайсингі кезінде аластатылатын интронды тізбек алынып тасталынбайды. Бұл тізбектің трансляциясы нәтижесінде мРНҚ құрамында антидененің секреттеуші аймағы молекуласының С-шеткері гидрофильді бөлігі пайда болады

Сплайсинг, ол гендердің консервативті (яғни тұрақты түрде болатын) аумағының әртүрлі өзгермелі гендермен қабысуын қамтамасыз етеді. Мұндай механизм тізбектердің әртүрлі комбинацияларының негізінде жатады, соның нәтижесінде толып жатқан антиденелер пайда болады, себебі кез-келген консервативті аймақ кез-келген өзгермелілерге келіп қосыла алады.

Әдетте алғашқы транскрипт сплайсинг нәтижесінде пайда болатын толық жетілген мРНҚ молекуласынан шамамен он еседей ұзын болады. Алайда клеткада синтезделетін гяРНҚ жалпы массасының тек 1/20 ғана ядроның сыртына шығады. Жай қарапайым есептің өзі алғашқы транскриптінің басым бөлігі (шамамен олардың жалпы мөлшерінің жартысы) ядрода толығымен дегрдацияланатындығын көрсетті. Сол себепті цитоплазмаға сырттан қандай болмасын мРНҚ молекуласының келіп түсуіне жол берілмейді. Осындай толық деградацияға жетілген мРНҚ-ға айналмайтын және цитоплазмаға тасымалданбайтын транскриптердің ұшырауы әбден мүмкін.

Трансляция жетілген мРНҚ инициация жүретін цитоплазмаға жетпейінше басталмайды. Инициацияның жүйелі әрекеттерінің нәтижесінде полисомалар пайда болады және бір мезгілде прокариоттардағы сияқты белоктарды кодтайтын көптеген тізбектердің трансляциясы басталады. Эукариоттардағы трансляцияның ерекшелігі клеткалық мРНҚ-да әдетте тек жалғыз ғана кодтаушы тізбектің болатындығында. Егер мРНҚ-да осындай бірнеше аймақ болатын болса, онда келесілері немесе мүлдем трансляцияланбайды немесе трансляция тиімсіз болады.

мРНҚ-ның тұрақтылығын реттейтін механизмдері және оның трансляцияға қабілеті жайлы деректер олардың екеуінің де гендердің экспрессиясына әсері болғанымен де әлі аз. Эукариоттты мРНҚ-ның тұрақтылығы көбінесе мРНҚ-ның трансляция жүрмейтін бөлімшелерінде ерекше тізбектердің болатындығына байланысты. Айталық, poly(А) белокпен бірігіп мРНҚ-ның тұрақтылығын арттырады, сөйтіп оның 3-ұштарын экзонуклеазалық ыдыраудан қорғайды. Полиаденилдеуге кедергі келтіретін сигналды тізбектердегі мутация өте тұрақсыз транскриптердің пайда болуына әкеліп соғады. Сонымен қатар толысқан мРНҚ-ның poly(А) ұшын алып тастау Xenopus ооцитінің немесе сүтқоректілер клеткасының жылдам дегредациялануына алып келеді, ал ол ұштарының қайтадан қалпына келуі мРНҚ-ға тән тұрақты тұрақтылықты да қалпына келтіреді.

Гендердің полипептидтер посттрансляциялық модификация деңгейіндегі экспрессиясы әртүрлі алғашқы белок молекулаларының соңғы функциональді активті өнімдерге ыдырауы арқылы реттелінеді. Трансляцияның біріншілік өнімдері түрлі күрделі өзгерістерге ұшырайды. Осындай процессингтің мысалы ретінде, инсулин гормонын алуға болады. Инсулин гормоны клеткада препроинсулин түрінде синтезделіп, кейін «артық» пептидтердің алынуы арқылы ол проинсулинге айналады. Проинсулиннен инсулин тізбегінің А- және В- тізбектері болатын екі суббірлік кесіліп алынады. Ал функциональді активті гемоглобин α- және β-тізбектерінің α2β2-құрылымға бірігіп, екі суббірліктің бүйір аминоқышқыл топтарымен гемтобының қосылуынан кейін пайда болады.

Қанның ұюына қатысатын кейбір белоктарда кальциймен байланысу орталықтарының пайда болуы үшін глутамин қышқылының арнайы қалдықтарының карбоксилденуі жүру қажет. Көптеген вирус белоктары, гормондар, нейропептидтер біріншілік трансляциялық өнімдерден пайда болады: полипротиндердің көптеген сайттар бойынша ыдырауы нәтижесінде бірнеше жетілген белоктар және кіші көлемді пептидтер түзіледі. Белоктардың посттрансляциялық модификацияның маңызды және кең таралған түрлері болып серин, тирозин және треониннің қалдықтарының ерекше протеинкиназалар мен протеинфосфотазалармен фосфорлану және дефосфорлану табылады.

Қарастырылған мысалдар гендердің өздерінің немесе олардың өнімдерінің активтілігін реттеу арқылы генетикалық ақпаратты жүзеге асырудың жолдары көп екендігін көрсетеді. Эукариоттарда гендердің реттелу механизмдерін зерттеу қазіргі генетиканың ең бір жедел дамып келе жатқан бағыты екендігін атап кеткен жөн.