Молекулярные основы общей и психологической генетики. Учебное пособие

10. Регуляция экспрессии генов

Подводя итог, можно отметить, что в целом в высокодифференцированных клетках многклеточного организма стойкая репрессия генов гетерохроматина обеспечивается:

1)пространственной укладкой ДНК;

2)метилированем дезоксицитидина ДНК;

3)связыванием с гистонами и образованием нуклеосом. При этом области эухроматина, где расположены активно

транскрибируемые гены, обладают рядом особенностей облегчающих транскрипцию:

1)они более чувствительны к действию ДНК-аз;

2)молекулы гистонов в этих областях модифицированы;

3)в этих областях содержатся HMG-белки, ослабляющие связь ДНК с гистонами.

Разнообразие клеток и возросшая сложность клеточных процессов нуждаются в большом разнообразии механизмов регуляции. Показано, что разный набор и количество белков в клетках может контролироваться:

1)изменением количества структурных генов;

2)перестройкой генов в хромосоме;

3)эффективностью транскрипции разных участков генома;

4)характером посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов;

5)на уровне трансляции;

6)с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.

В том числе на уровне транскрипции идентифицировано более 100 белков способных взаимодействовать со специфическими регуляторными последовательностями ДНК, влияя, главным образом, на процесс сборки транскрипционного комплекса и скорость транскрипции.

41

Эти белки имеют один или несколько доменов, обеспечиваю­ щихвыполнениерегуляторнойфункциинауровнетранскрипции.

Ктаким доменам относятся:

1)ДНК-связывющие домены, ответственные за узнавание и связывание регуляторных факторов со специфическими участками молекуле ДНК;

2)домены активирующие транскрипцию за счет связывания

сбелками основного инициативного комплекса: транскрипционными факторами, коактиваторами и РНК-полимеразой;

3)антирепрессорные домены, благодаря которым белки способны взаимодействовать с гистонами нуклеосом и освобождать транскрибируемые участки ДНК от связи с этими структурами;

4)домены, связывающие лиганды, присоединение которых к белку изменяет его конформацию и обеспечивает связывание с молекулой ДНК. (Лиганды-индукторы транскрипции — стероидные­ гормоны, ретиноевая кислота, кальцитриол и гормоны щитовидной железы.)

5)энхансеры — участки ДНК размером 10–20 пар оснований, присоединение к которым регуляторных белков увеличивает скорость транскрипции;

6)сайленсеры;

7)элементы ответа или cis-элементы — регуляторные последовательности ДНК, общие для группы генов. (Они обеспечивают координированную транскрипцию генов и, как правило, располагаются на расстоянии примерно в 250 пар оснований выше промотера каждого гена. В остальном они похожи на энхансеры.)

42

Заключение

ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ОРГАНИЗМЫ в значительной части представлены многоклеточными формами с высокой специализацией клеток. Хотя во всех клетках человека содержится совершенно одинаковая ДНК, в разных тканях происходит экспрессия далеко не одинаковых наборов генов. Таким образом, должны существовать какие-то механизмы, при участии которых одни гены работают (т.е. экспрессируются), а другие нет. Эти процессы имеются на различных уровнях регуляции, включая:

регуляцию на уровне транскрипции,

посттранскрипционная регуляция,

регуляцию на уровне трансляции,

посттрансляционную регуляцию,

регуляцию с помощью гормонов.

Регуляция на уровне транскрипции осуществляется при синтезе мРНК. Средние концентрации индивидуальных мРНК, транскрибируемых с разных генов, сильно отличаются друг от друга. Это обусловлено тем, например, что мРНК-копии одних генов разрушаются быстрее других, либо тем, что их синтез происходит медленнее. Регуляция может осуществляться при помощи белков, способных связываться с ДНК, и даже при помощи коротких фрагментов РНК, которые спариваются с ДНК, предположительно блокируя места прикрепления РНКполимеразы. Таким образом скорость транскрипции может снижаться или, наоборот, повышаться.

Посттранскрипционная регуляция осуществляется на уровне процессинга мРНК. Даже в том случае, если транскрипция двух разных генов проходит с одинаковой скоростью, дальнейший процессинг мРНК, включающий модификацию 5'- и

43

3'-концов и сплайсинг экзонов, может протекать по-разному у разных мРНК.

Регуляция на уровне трансляции осуществляется за счет того, что исключается возможность использования мРНК в качестве матрицы для синтеза белка, хотя она и присутствует в цитоплазме. В ооците морского ежа, например, много мРНК, но сколько-нибудь заметного синтеза белка не происходит до тех пор, пока ооцит не будет оплодотворен. Лишь после этого молекулы мРНК подвергаются модификации, т.е. «приобретают» шпильку на 5'-конце (так называемый­ кэп, или «шапочку») и «шлейф» из poly А на 3'-конце, и могут далее включиться в нормальный трансляционный процесс, который завершается построением молекулы белка.

Посттрансляционная регуляция основана на том, что многие белки синтезируются в неактивной форме и должны еще пройти стадию модификации. Так, в β-клетках поджелудочной железы синтезируется не инсулин как таковой, а его предшественник, полипептидная цепь которого длиннее инсулиновой и содержит еще некоторую добавочную последовательность аминокислотных остатков. Лишь после того, как эта последовательность вырезается протеолитическим ферментом, получается собственно гормон в своей функциональной форме. Таким образом, производство активного гормона может регулироваться посттрансляционным путем через регуляцию активности протеолитического фермента.

Регуляция с помощью гормонов — это частный случай регуляции на уровне транскрипции; таким путем организм заставляет клетку «включить» определенные гены в ответ на внешний стимул. Так, стероидные гормоны из тех клеток, где они были синтезированы, попадут в конечном счете в цитоплазму соответствующих клеток-мишеней, откуда специальный транспортный белок перенесет их в ядро, где они смогут активировать те или иные гены путем прямого взаимодействия

44

с хроматином в соответствующих­ местах. Каждый гормон активирует свой набор генов. Таким способом обеспечивается соответствие реакции клетки роду сигнала, который клетка воспринимает через посредничество­ соответствующего гормона.

45

Список литературы

1.Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. – М.: Мир, 1994.

2.Арьков А., Мургола Е. Рибосомные РНК в терминации трансляции: факты и гипотезы // Биохимия. – 1999 – Т. 64. – Вып. 12. – С. 1607–1613.

3.Бурьянов Я.И. Обзор успехов и перспектив генно-ин- женерной биотехнологии растений // Физиология растений. – 1999. – Т. 46. – Вып. 6. – С. 930–944.

4.Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов

впроцессе транскрипции // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 1. – С. 23–31.

5.Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Под ред. Н.К. Янковского. – М.: Мир, 2002.

6.Завильгельский Г.Б. Антирестрикция // Молекулярная биология. – 2000. – Т. 34. – Вып. 5. – С. 854–862.

7.Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. – М.: Мир, 1983.

8.Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. – М.: Мир, 1987.

9.Корочкин Л.И. Как гены контролируют развитие клеток // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 1. – С. 17–22.

10.Льюин Б. Гены. – М.: Мир, 1987.

11.Молекулярная биология: структура и биосинтез нуклеиновых кислот / Под ред. А.С. Спирина. – М.: Высшая школа, 1990.

12.Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987.

13.Патрушев Л.И. Экспрессия генов. – М.: Наука, 2000.

14.Попов Е.М. Структурная организация белка. – Т. 3. – М.: Наука, 1997.

15.Программированная клеточная смерть / Под ред. В.С. Новикова. – Новосибирск: Наука, 1996.

46