63. Регуляция экспрессии генома у эукариот осуществляется на нескольких уровнях:

- на уровне структурной организации генома (претранскрипционный контроль)

- на уровне транскрипции. Существует транскрипционная и посттранскрипционная регуляция. Регулироваться может сам процесс транскрипции, дозревание мРНК (процессинг), транспорт и деградация мРНК.

- на уровне трансляции – через фосфорилирование-/дефосфорилирование белковых факторов трансляции.

- на пострансляционном уровне – через регуляцию процессов формирования белковой молекулы, ее транспорта, активности и деградации.

Претранскрипционный контроль экспрессии генов у эукариот.

Геном эукариот содержит много нуклеотидов, но лишь 2-5% ДНК используется для кодировки белков. Наличие у ДНК не только кодирующих, но и регуляторных (сигнальных) участков, значительного количества сайтов, которые не транскрибируются, составляет особенность генома эукариот. Хотя все соматические клетки содержат идентичный геном, но в разных типах клеток экспрессируются различные гены, а это свидетельствует о существовании механизмов, которые обеспечивают стабильную экспрессию в течение жизни клетки одних генов и торможения экспрессии других.

А. Структурна та химическая модификация генома

а) роль упаковки хроматина. В ядрах дифференцированных клеток хроматин так упакован, что только небольшое число генов (до 1%) доступно для

транскрипции. В участках гетерохроматина ДНК упакована очень плотно и недоступна для транскрипции, тогда как в участках эухроматина, имеющего рыхлую упаковку, доступна для РНК-полимеразы. В разных типах клеток в область эухроматина попадают различные гены, а это означает, что в разных тканях транскрибируются различные гены.

б) химическая модификация белков хроматина. Гистоновые и негистоновые белки, которые образуют прочные комплексы с ДНК, препятствуют использованию ДНК в процессах репликации или транскрипции. Ковалентная модификация (ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, гликозилирование и АДФ-рибозилирование) изменяет заряд и другие свойства ядерных белков и может уменьшить или увеличить их взаимодействие с ДНК. Например, присоединение остатков уксусной кислоты к аминогруппам лизина (ацетилирование) в гистонах уменьшает положительный заряд этих белков, благодаря чему гистоны отсоединяются от ДНК, а на освобожденных от гистонов участках может происходить считывание информации. Поэтому ацетилирование пистонов усиливает скорость транскрипции.

в) метилирование ДНК. Метилирование - это вариант эпигенетической регуляции активности генов, который не ведет к изменению нуклеотидной после- довательности ДНК. ДНК-метилтрансферазы переносят метильную группу от S- аденозилметионина на цитозин с образованием 5-метилцитозина. Метилируется около 5% остатков цитозина ДНК вобласти СрG-остров- ков (последователь- ностей от 500 до 2000 нуклеотидов с высо- ким содержанием гуанина и цитозина). Эти островки лока- лизуются в регулятор- ных элементах гена, промоторах. Метили- рование приводит к временной инакти- вации гена и блоки- ровки его транскрип- ции. Однако конечный биологический

результат метилирования определяется функцией гена. Если метилируется ген белка-активатора, то это ведет к торможению определенной функции клетки, а если ген белка-репрессора, то это усиливает определенную функцию. Например, метилирование гена-супрессора опухолевого роста (белка р53) способствует развитию опухолей. Метилирование - это обратимый процесс и вместе с метилированием существует процесс деметилирования. Однако, метилирование некоторых генов является необратимым, в частности генов, которые функционируют во время эмбриогенеза, а затем становятся ненужными.

Б. Изменение количества генов.

а) Амплификация - это процесс увеличения копий соответствующих генов.

Молекулярной основой амплификации является многократная (взрывообразная) репликация одного гена, или его фрагмента. Амплифицированные участки могут располагаться в хромосоме друг за другом (тандемный) или образовывать внехромосомные фрагменты ДНК (двойные минихромосомы). Способны к амплификации гены металотионеина (белка, связывающего ионы тяжелых металлов), дигидрофолатредуктази, многих других белков. При поступлении в организм ионов тяжелых металлов или метотрексата (ингибитора дигидрофолдатредуктазы происходит взрывообразное усиление синтеза этих белков. Явление амплификации лежит в основе полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для проведения ПЦР используют РНК-праймеры (последовательности специфичны тем участкам ДНК, которые исследуются), а затем ДНК-полимераза реплицирует только те участки ДНК, которые отвечают праймеру. С применением ПЦР проводят диагностику вирусных и бактериальных инфекций, поскольку ПЦР дает возможность выявить ДНК и РНК возбудителей в организме хозяина. Метод ПЦР является основным в выявлении мутаций и генетического полиморфизма, установлении отцовства, этнической принадлежности и т.д.

б) потеря генетического материала. Это редкий способ регуляции и, например, проявляется потерей ядра при дозревании эритроцитов или потери части генетического материала при дозревании лимфоцитов.

В.Перестройка генов (генетические рекомбинации или реаранжирование) Перестройка генов – это обмен фрагментами ДНК между различными генами

или объединение генов из различных биологических источников. Механизм

рекомбинаций включает разрезание реципиентной ДНК и включение инородных фрагментов (транспозонов) из другой хромосомы или другого локуса той же хромосомы. Способность транспозонов встраиваться в молекулы других ДНК определяется наличием на их концах особенных фрагментов – инсерционных последовательностей.

К рекомбинациям, присущим прокариотам, принадлежат: а) трансформация

– включение в геном реципиентного микроорганизма донорной ДНК погибшей клетки того же вида; б) трансдукция – перенос бактериофагом фрагмента ДНК одного микроорганизма в геном другого реципиентного организма; в) конъюгация

– процесс полового размножения у бактерий, который заключается в перенесении фрагмента ДНК из донорной в реципиентную клетку.

У эукариот генетические рекомбинации обеспечивается механизмом кроссинговера (обмен идентичными участками между гомологичними хромосомами во время мейоза), который является необходимым элементом формирования половых клеток. Именно рекомбинация родительских хромосом при образовании гамет - главный фактор комбинативной изменчивости у людей.

Процессы перемещения отдельных генов, или групп генов в другое место генома имеют место в В-лимфоцитах, гены которых кодируют образование иммуноглобулинов. Имеется несколько типов иммуноглобулинов (IgG, IgA, IgM, IgD, IgE), которые отличаются по типу тяжелых и легких цепей. В каждой белковой цепи иммуноглобулина существуют константные и вариабельные участки (соответственно, с постоянным или переменным составом аминокислот). Легкие цепи экспрессируються генами 3-х семейств, а тяжелые цепи – 4-х семейств. Каждое семейство насчитывает десятки и сотни генов. Благодаря рекомбинации генов, принадлежащим семействам генов легких и тяжелых цепей, становится возможным образование огромного количества (до

108) вариантов генов и, соответственно, столько же вариантов иммуноглобулинов с разной антигенной специфичностью.

Транспозон – это последовательность ДНК, способная перемещаться в середине генома. Транспозоны принадлежат к так называемым мобильным элементам генома (к которым относят плазмиды и инсерционные элементы). Различают ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. Перенос и вставка ДНК- транспозонов катализируется ферментом транспозазой (код фермента присутствует в самом транспозоне). Ретротранспозоны перемещаются по геному путем обратной транскрипции с их РНК (как ретровирусы).

64. Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации РНК) — совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта РНК в зрелую РНК.

Наиболее известен процессинг матричных РНК, которые во время своего синтеза подвергаются модификациям: кэпированию, сплайсингу и полиаденилированию. Также модифицируются (другими механизмами) рибосомные РНК, транспортные РНК и малые ядерные РНК.

При кэпировании происходит присоединение к 5'-концу транскрипта 7-метилгуанозина посредством трифосфатного моста, соединяющего их в необычной позиции 5'-5', а также метилирование рибоз двух первых нуклеотидов. Процесс кэпирования происходит во время транскрипции молекулы пре-мРНК. Кэпирование защищает 5'-конец первичного транскрипта мРНК от действия рибонуклеаз, специфически разрезающих фосфодиэфирные связи в направлении 5’→3'.[1]:221

Функции кэпа и связанных с ним белков:

экспорт мРНК из ядра;

защита 5'-конца транскрипта от экзонуклеаз;

участие в инициации трансляции;

участие в полиаденилировании.

Полиаденилирование

Фермент поли(А)-полимераза присоединяет 3'-концу транскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты. Полиаденилирование осуществляется при наличии сигнальной последовательности 5'- AAUAAA-3' на 3'-конце транскрипта, за которой следует 5'-CA-3'. Вторая последовательность является сайтом разрезания

После полиаденилирования мРНК подвергается сплайсингу, в ходе процессе которого удаляются интроны (участки, которые не кодируют белки), а экзоны (участки, кодирующие белки) сшиваются и образуют единую молекулу [2]. Сплайсинг катализируется крупным нуклеопротеидным комплексом — сплайсосомой, состоящей из белков и малых ядерных РНК. Многие пре-мРНК могут быть подвергнуты сплайсингу разными путями, при этом образуются разные зрелые мРНК, кодирующие разные последовательности аминокислот (альтернативный сплайсинг).

Редактирование РНК — процесс, в ходе которого информация, содержащаяся в молекуле РНК изменяется путем химической модификации оснований.

65. Рибосома — важнейший немембранный органоид живой клетки сферической или слегка эллипсоидной формы, диаметром 10—20 нанометров, состоящий из большой и малой субъединиц. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК, или мРНК. Этот процесс называется трансляцией.

В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматической сети, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой (полисомой). Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре — ядрышке.

Схема синтеза рибосом в клетках эукариот.

1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S — предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию.

Рибосомы представляют собой нуклеопротеид, в составе которого отношение РНК/белок составляет 1:1 у высших животных и 60-65:35-40 у бактерий. Рибосомная РНК составляет около 70 % всей РНК клетки. Рибосомы эукариот включают четыре молекулы рРНК, из них 18S, 5.8S и 28S рРНК синтезируются в ядрышке РНК полимеразой I в виде единого предшественника (45S), который затем подвергается модификациям и нарезанию. 5S рРНК синтезируется РНК полимеразой III в другой части генома и не нуждаются в дополнительных модификациях. Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли, что необходимо для поддержания структуры; при удалении ионов магния рибосома подвергается диссоциации на субъединицы.

Константа седиментации (скорость оседания в ультрацентрифуге) рибосом эукариотических клеток равняется 80S (большая и малая субъединицы 60S и 40S, соответственно), бактериальных клеток (а также митохондрий и пластид) — 70S (большая и малая субъединицы 50S и 30S, соответственно).

Трансляция — синтез белка рибосомой на основе информации, записанной в матричной РНК (мРНК). мРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, когда происходит узнавание 3'-концом 16S рибосомной РНК комплементарной последовательности Шайн-Далгарно, расположенной на 5'-конце мРНК (у прокариот), а также позиционирование стартового кодона (как правило, AUG) мРНК на малой субъединице. У эукариот малая субчастица рибосомы связывается также с помощью кэпа, на конце мРНК. Ассоциация малой и большой субъединиц происходит при связывании формилметионил-тРНК (fMET-тРНК) и участии факторов инициации (IF1, IF2 и IF3 у прокариот; их аналоги и дополнительные факторы участвуют в инициации трансляции у эукариотических рибосом). Таким образом, распознавание антикодона (в тРНК) происходит на малой субъединице.

После ассоциации, fMET-тРНК находится в P- (peptidyl-) сайте каталитического(пептидил-трансферазного) центра рибосомы. Следующая тРНК, несущая на 3'-конце аминокислоту и комплементарная второму кодону на мРНК, помещается с помощью фактора EF-Tu в А- (aminoacyl-) сайт каталитического центра рибосомы. Затем, образуется пептидная связь между формилметионином (связанным с тРНК, находящейся в Р-сайте) и аминокислотой, принесенной тРНК, находящейся в А-сайте. Механизм катализа образования пептидной связи в пептидил-трансферазном центре до сих пор полностью не ясен. На данный момент существует несколько гипотез, объясняющих детали этого процесса: 1. Оптимальное позиционирование субстратов (induced fit)[5], 2. Исключение из активного центра воды, способной прервать образование пептидной цепи посредством гидролиза [6], 3. Участие нуклеотидов рРНК (таких как А2450 и А2451) в переносе протона[7][8], 4. Участие 2'-гидроксильной группы 3'-концевого нуклеотида тРНК (А76) в переносе протона [9];. Высокая эффективность катализа достигается взаимодействием этих факторов.

После образования пептидной связи, полипептид оказывается связанным с тРНК, находящейся в А-сайте. На следующем этапе деацилированная тРНК двигается из Р-сайта в Е-сайт (exit-), а пептидил-тРНК из А- в Р-сайт. Этот процесс называется транслокацией и происходит при участии фактора EF-G. тРНК, комплементарная следующему кодону мРНК, связывается с А-центром рибосомы, что ведет к повторению описанных шагов. Стоп-кодоны (UGA, UAG и UAA) сигнализируют об окончании трансляции. Процесс окончания трансляции и освобождения готового полипетида, рибосомы и мРНК, называется терминацией. У прокариот он происходит при участии факторов терминации RF1, RF2, RF3 и RRF.