19. Регуляция действия генов у про- и эукариот.

Р егуляция действия генов у прокариот. Бактериям необходимо быстро отвечать на изменения окружающей среды,т.к. субстраты могут меняться. Поэтому гены бактерий объединены в кластеры таким образом, что ферменты, необходимые для определения пути биосинтеза, кодируются генами, находящимися под общим контролем.

В 1961 г. два французских генетика Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали оперонный принцип регуляции действия генов на уровне транскрипции на примере lac-оперона у бактерий E. coli. Оперон, согласно их представлениям, ― это группа функционально родственных совместно транскрибируемых генов, контролирующих определенный вид метаболической активности, т. е. это единица генетического материала, регулируемая на уровне транскрипции. Результатом активности оперона является синтез адаптивных ферментов.

Все ферменты клетки условно делят на конститутивные ― постоянно присутствующие в клетке, и адаптивные ― появляющиеся в результате изменений условий среды. Конститутивные ферменты у E. coli принимают участие в утилизации универсального для нее источника углерода ― глюкозы. При замене глюкозы на лактозу для утилизации непривычного субстрата E. coli необходим синтез адаптивных ферментов: бета-галактозидазы, которая расщепляет лактозу на галактозу и глюкозу, а также галактозидпермеазу (транспортного белка, необходимого для проникновения бета-галактозидов, в частности, лактозы, через клеточную мембрану)и трансацетилазу. Эти ферменты кодируются тремя структурными генами:Z, Y и A, соответственно, которые в комплексе с геном ― оператором, атакже общими для структурных генов промотором (участком ДНК, расположенным перед оператором) и терминатором транскрипции образуют оперон.

Оперонная регуляция также осуществляется с помощью гена-регулятора, кодирующего белок-репрессор. Но ген-регулятор не входит в состав оперона и может находиться на расстоянии от него. Синтезируемый им белок-репрессор соединяется с оператором, «запрещая» транскрипцию оперона в присутствии глюкозы как источника питания.

В отсутствие лактозы репрессор (продукт гена-регулятора) связывается с оператором, запрещая транскрипцию. Оперон «выключен», гены не транскрибируются. В присутствии субстрата (лактозы) репрессор инактивируется и отсоединяется от оператора. Молекула РНК-полимеразы перемещается, и начинается транскрипция.

При замене глюкозы на лактозу белок-репрессор временно инактивируется под действием субстрата ― лактозы и структурные гены, освобожденные от его контроля, начинают экспрессироваться, продуцируя адаптивные ферменты, утилизирующие лактозу. После инактивации репрессора свободный оператор начинает транскрипцию всего оперона с промотора, к которому присоединяетсяРНК-полимераза, инициирующая транскрипцию. Снижение концентрации субстрата ― лактозы (после его расщепления адаптивными ферментами)вновь является сигналом к соединению белка-репрессора с оператором и прекращения транскрипции генов lac-оперона. Т. е. синтез трех ферментов происходит только в том случае, когда в этих ферментах возникает потребность.

Схема регуляции действия генов в системе lac-оперона ― негативная, т. к. продукт гена-регулятора, связываясь с оператором, запрещает транскрипцию, т. е. действует негативно на экспрессию генов.

Регуляция действия генов у эукариот. оперонная рег-я действия генов отсутствует.Характерен каскадный тип регуляции действия генов, т. е. регуляция генной активности на уровне транскрипции, посттранскрипционном уровне (т. е. на стадии процессинга РНК), в процессе трансляции и посттрансляционной модификации белков.

Регуляция генной активности под действием гормонов. При дифференциации тканей и органов у эукариот регуляция действия генов в самом общем виде осуществляется за счет компактизации и декомпактизации участков ДНК, поскольку только в декомпактизованном состоянии ДНК становится доступной действию ферментов, что является необходимым условием функциональной активности генов. Компактизация и декомпактизация хроматина (вещества хромосом) осуществляется под действием сигналов внутренней (эндогенной) и внешней (экзогенной)среды. К эндогенным сигналам, в частности, относится действие гормонов. Гормонам принадлежит важная роль в регуляции действия генов. Гормоны являются индукторами генной активности. Особо важную роль у высших организмов играют половые гормоны, гормоны роста, гормоны щитовидной железы. Реакцию клеток на воздействие различных гормонов обеспечивают белки-рецепторы, локализованные на мембранах клеток. Различают пептидные и стероидные гормоны. Синтезируясь в специальных секреторных клетках, гормон, высвобождаясь из них, поступает в кровяное русло, а затем ― в ткани. Проникновение гормона в ядро обеспечивается образованием гормон-рецепторного комплекса, взаимодействие которого со специфическими участками хроматина способствует переводу его в функционально активное состояние.

Регуляция генной активности под действием сигналов внутренней среды. Примером является образование хромосом типа «ламповых щеток»в диплотене мейоза, где гомологичные хромосомы соединены попарно(образуя биваленты) и имеют хромомерное строение. Парносимметричные боковые петли на таких хромосомах представляют собой раскрученные хромомеры. На петлях происходит синтез мРНК и многочисленные РНК-транскрипты придают таким хромосомам вид ершиков для чистки стекол керосиновых ламп. Такое строение хромосом,обеспечивающее высокую активность входящих в их состав генов, обусловлено необходимостью интенсивного синтеза белков при оогенезе для снабжения ими развивающегося зародыша.

Регуляция генной активности под действием фактор внешней среды.. Она изучена, в частности, на примере регуляции генов под действием на организм экстремальных факторов (повышенной температуры, радиации, химических веществ и т. д.). Важной особенностью подобной регуляции является обратимость.Установлено, что в ответ на такие воздействия на хромосомах происходит образование специфических пуфов. Поскольку такое явление впервые наблюдал Ф. Ритосса (1962 г.) на политенных хромосомах личинок дрозофилы в ответ на повышение температуры выше физиологической (тепловой шок), эти специфические пуфы получили название пуфов теплового шока, а контролируемые ими белки ― БТШ (белками теплового шока). В экстремальных ситуациях синтез типичных для клетки мРНК и белков прекращался, но синтез белков-гистонов, рРНК и тРНК сохранялся на прежнем уровне. После окончания теплового шока синтез БТШ прекращается и возобновляется синтез белков, характерных для клетки в нормальных условиях. Если же подавить синтез БТШ при тепловом шоке, клетка уже не сможет вернуться к синтезу обычных белков.

Синтез БТШ ― это универсальный механизм адаптивного ответа организмов на воздействие экстремальных факторов. БТШ выполняют роль шаперонов ― белков, способствующих формированию правильной пространственной конфигурации других белков, нарушенной воздействием экстремальных факторов. Это уникальный механизм адаптивной модификации.

Гомеозисные гены и их участие в раннем развитии организма. регуляция действия генов в эмбриогенезе,что можно рассмотреть на примере дрозофилы. Прообраз будущего организма складывается уже под влиянием генов материнского организма, под контролем которых на поверхности яйцеклеток формируются трофические питающие клетки. Они располагаются неравномерно, поэтому их продукты распределяются по поверхности яйцеклетки по градиентам, создавая полярность будущего организма.

Поставленный в более благоприятное положение относительно питающих клеток, полюс ооцита становится впоследствии анимальным (головным). Продукты питающих клеток активируют гены яйцеклетки и развивающегося зародыша в разных его отделах. Среди таких генов выделяют так

называемые «гены-господа», от которых зависят формообразовательные процессы и «гены-рабы», контролирующие синтез органо- и тканеспецифических продуктов. К «генам- господам» относятся так называемые гомеозисные гены, контролирующие сегментацию тела у дрозофилы. «Гомеозис- превращение одной части тела в другую.

Гены, входящие в состав гомеобокса, обладают способностью регулировать активность других генов путем связывания образующейся при их трансляции аминокислотной последовательности с двойной спиралью ДНК.

ДНК при этом образует петлю между энхансером (регуляторным элементом,усиливающим транскрипцию) и промотором, что обеспечивает связь между пространственно удаленными генами. Так осуществляется регуляция действия генов на расстоянии, что является скорее правилом, чем исключением.

Помимо энхансеров гены эукариот включают сайленсеры (глушители), действие которых связано с изменением структуры хроматина.

Метилирование ДНК как способ контроля активности генов. Метилирование ― процесс химической модификации ДНК, заключающийся в переносе метильной группы (-CH3) от кофактора S-аденозил-L-метионина на остатки цитозина либо аденина в молекуле ДНК при участии фермента ДНК-метилтрансферазы (метилазы). Ферменты обнаружены как в прокариотических, так и эукариотических организмах. У прокариот метилазы являются компонентом систем рестрикции-модификации,метилируя ДНК клетки-хозяина, они защищают ее от гидролиза. У эукариот метилазы вовлечены в процессы регуляции экспрессии генов, защиты

генома от внедрения мобильных элементов и сохранения его целостности,инактивации перенесенных в клетку “чужеродных” генов, канцерогенеза и др. Метилирование― один из основных механизмов эпигенетической изменчивости. С метилированием ДНК связывают геномный импринтинг,инактивацию Х-хромосомы и ее превращение в тельце Барра (половой

хроматин).

В природе широко распространено метилирование цитозина.

Немаловажное значение в регуляции действия генов принадлежит и МГЭ,которые могут играть роль мигрирующих промоторов, объединяя структурные гены и регуляторные элементы и настраивая их на общие сигналы регуляции.

Интерференция РНК― один из механизмов посттранскрипционной регуляции экспрессии генов. Это высокоспецифичный механизм подавления экспрессии генов на посттранскрипционном уровне за счет деградации считанной с него мРНК. Деградация мРНК происходит в результате комплементарного (или частично комплементарного) связывания малых РНК (или их комплексов с белками) с участками мРНК.

Этот регуляторный механизм посттранскрипционного подавления экспрессии гена, или посттранскрипционного сайленсинга установлен у всех исследованных эукариот (у одноклеточных, низших грибов, растений,нематод, насекомых, а также у позвоночных, включая мышей и человека).

Интерференция РНК инициируется появлением в клетке двуцепочечных РНК (дцРНК). дцРНК образуются при попадании в клетку и экспрессии в ней трансгена (бактериального, вирусного, считанного с собственного гена или введенного экспериментально) при комплементарности нуклеотидной последовательности трансгена и мРНК гена клетки-хозяина. Этим обусловлена значительная роль малых РНК в защите клеток от вирусных инфекций и от ретротранспозонов, а также возможности использования их для получения моногенных функциональных нокаутов, т. е представляет собой удобный инструмент для быстрого подавления экспрессии определенных генов и изучения их функций. дцРНК образуются также из двухцепочечных структур, так называемых «шпилек» РНК-предшественниц, транскрибируемых с генов, содержащих повторяющиеся инвертированные последовательности (палиндромы). Комплементарные взаимодействия между такими последовательностями в РНК (например, ACUGU…….ACAGU) приводят к появлению«шпилек» в пределах той же молекулы.

В зависимости от природы предшественников различают два типа малых РНК: 1) siРНК― это малые двуцепочечные РНК (дцРНК) длиной 19―25 пн, которые образуются из длинных дцРНК при разрезании их ферментом Dicer; 2) miРНК― это малые одноцепочечные РНК (оцРНК) длиной

18―24 н, которые образуются из «шпилек» при разрезании их ферментом Drosha. Дуплексы miРНК быстро распадаются и одна нить деградирует.

Регуляция активности генов на уровне трансляции. У эукариот основана на сохранении в цитоплазме мРНК в виде информосом (т. е. внутриклеточных частиц,содержащих молекулу мРНК в комплексе с белками, защищающими ее от действия нуклеаз), открытых А. С. Спириным в 1964 г. Эти резервные мРНК могут быть использованы клеткой в случае возросшей потребности

организма на соответствующий белок в процессе онтогенеза.Другой пример ― регуляция трансляции с помощью антисмысловых РНК (асРНК), комплементарных «смысловой» мРНК. АсРНК транскрибируется, как правило, с начальной части регулируемого гена (не более 200 пн), но с другой (антипараллельной) нити ДНК. Она не является матрицей для синтеза белка. Ее роль ― образовать дуплекс на 5′-конце РНК (с которого идет трансляция) и тем самым предотвратить ее трансляцию.

Посттрансляционная модификация синтезированных клеткой белков. Активность многих белков, кодируемых определенными генами,при одной и той же аминокислотной последовательности может быть разной за счет их посттрансляционной модификации― фосфорилирования,ацетил-ия, а в ряде случаев расщеплением исходной полипептидной цепи на более мелкие фрагменты. При этом меняется конформация белковой молекулы, а соответственно, и ее функции.

Широко распространен также механизм регуляции активности ферментов путем присоединения к ним молекулы ― эффектора. Чаще всего в роли эффекторов выступают конечные продукты цепей биосинтеза, которые связываются с первым или одним из первых ферментов данного метаболического пути и подавляют его активность, выключая тем самым всю цепь синтеза. Таким образом, при этом происходит ингибирование действия гена конечным продуктом.