Регуляции биосинтеза белка в клетке/организме.
Количество/разнообразие белков и ферментов в клетке и организме определяется степенью их участия в метаболизме.
Регуляция биосинтеза белков/ферментов:
1. Кратковременная |
2. Стойкая |
(на уровне транскрипции) |
(на уровне экспрессии генов) |
Адаптация |
Дифференцировка клеток |
Кратковременная регуляция осуществляется на уровне транскрипции.
Механизм регуляции доказали Ф. Жакоб, Ж. Мано, А. Львов на примере работы лактозного
оперона у бактерий (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1965 )
Оперон – группа связанных между собой генов.
Ген-регулятор – ген, регулирующий работу оперона, но не входящий в его состав. Синтезирует белок- репрессор, который может быть в активной или неактивной форме.
Ген-оператор – участок ДНК, способный связываться с белком-регулятором, |
и "решающий" нужно |
|
работать |
РНК-полимеразе или нет. |
|
Регуляция у высших организмов отличается от регуляции транскрипции у прокариотов многообразием сигналов.
Адаптивная регуляция активности генов у эукариотов обеспечивает изменения скорости транскрипции отдельных генов в ответ на меняющиеся условия внутренней и внешней среды.
●В процессе развития клетки ~ 80% генов теряют способность к транскрипции (репрессия синтеза).
●Транскрибируются те м-РНК (синтез белков/ферментов),
которые обеспечивают специализированные функции, жизнеобеспечение клетки, клеточную дифференцировку.
Ферменты
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конституциональные |
Индуцированные |
|||
Присутствуют в клетке |
||||
Количество в клетке варьирует |
||||
в определенных количествах |
||||
|
|
|||
|
|
|
|
|
Синтез м-РНК становится возможным после связывания РНК-полимеразы с группой дополнительных транскрипционных факторов.
В молекуле ДНК на разном расстоянии от стартовой точки транскрипции гена имеются специфические регуляторные участки, участвующие в экспрессии генов.
Белки, связывающиеся с ДНК в этих участках, называют специфическими регуляторными белками.
Они влияют на скорость транскрипции генов, взаимодействуя
сбелками-посредниками или коактиваторами, передающими
сигнал на основные транскрипционные факторы и
РНК-полимеразу.
Эффекты
присоединение
белка к регуляторному
участку ДНК
Индукция |
Репрессия |
транскрипции |
транскрипции |
Участок ДНК – |
Участок ДНК – |
энхансер |
сайленсер |
(усилитель) |
(тушитель) |
Область, обеспечивающая экспрессию генов, включает:
Промоторный участок:
Энхансеры (сайленсеры):
Регуляторные белки (2)
|
Белки-посредники |
(3) |
|
РНК – полимераза |
(4) |
В результате конформационных изменений индукторы приобретают сродство к белкам, инициирующим транскрипцию.
Индукторами (корепрессорами), стимулирующими присоединение регуляторных белков к ДНК и запускающих транскрипцию, могут быть: гормоны, ионы металлов, продукты метаболизма.
Механизмы клеточной дифференцировки
В организме человека имеется > 200 различных типов клеток, существенно
различающихся по структуре и функциям, |
хотя |
количество и структура ДНК в них одинаковы. |
|
Существование специализированных клеток (тканей) зависит от экспрессии
генов, при которой в дифференцированных клетках |
разных тканей |
транскрибируются разные участки хроматина. |
|
Это достигается благодаря механизмам стойкой репрессии транскрипции части генов на протяжении всей жизни организма.
Эпигенетика (греч. επί — над, выше, внешний) представляет собой изучение
закономерностей изменения экспрессии генов, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК.
Молекулярные основы эпигенетики объясняют, почему в дифференцированных клетках организма экспрессируются гены, необходимые для их специфической деятельности,
адругие гены стойко репрессируются.
Репрессию генов обеспечивают ряд механизмов:
|
Модификация гистонов (ацетилирование, метилирование и др.) |
|
|
Ацетилирование приводит к изменению заряда белка, |
|
|
что приводит к отсоединению гистонов от ДНК |
|
|
и повышает транскрипционную активность в |
|
|
данном районе хромосомы. |
|
|
Малые некодирующие РНК (микро-РНК) – |
|
|
изменяют стабильность и транскрипцию |
|
|
м-РНК путем связывания с участком м-РНК. |
|
|
Метилирование ДНК - присоединение СН3-группы |
|
|
к цитозину, осуществляют метилтрансферазы. |
|
|
Метилирование промотора приводит к подавлению активности |
|
|
гена. |
У |
|
человека метилировано ~ 1% геномной ДНК. |
|
|
Деметилирование с возрастом приводит к хромосомным перестройкам |
|
|
и развитию заболеваний. |
|
Репрессию генов в гетерохроматине обеспечивает:
- Высококонденсированное состояние ДНК. -Ремоделирование хроматина –
процесс активного изменения «густоты» нуклеосом.
Конденсация хроматина (гетерохроматизация) приводит с возрастом к снижению генетической активности.
Укладка
хроматина
Гетерохроматин |
Эухроматин |
(90-95%) |
(5-10%) |
Транскрипции |
Транскрипция |
нет |
возможна |
Регуляция действия генов и клеточная дифференцировка
Дифференцировка клеток — процесс
реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток. Фенотип клеток - результат координированной экспрессии определённого набора генов.
В процессе дифференцировки клетка становится специализированной, меняет функцию, размеры, форму
иметаболическую активность.
В дифференцированной клетке большая
часть генов (~ 80 %) полностью репрессирована и это состояние сохраняется на протяжении всей жизни клетки (многих генераций клетки).
Этапы клеточной дифференцировки
Эмбриональный этап –
дифференцировка из полипотентных(стволовых) клеток отдельных тканей и органов.
Окончательная дифференцировка- поддержание структуры дифференцированных клеток под действием эпигенетических факторов.
Нарушение
процессов
дифференцировки
Старение Опухолевый
организма рост
Появление
эмбриональных
белков
(диагностика)
α–фетопротеин – маркер опухолей печени, ЖКТ и др.