Вопрос 2

3.6.6.3. Регуляция экспрессии генов у прокариот

Изучение регуляции генной активности у прокариот привело французских микробиологов Ф. Жакоба и Ж. Моно к созданию (1961) оперонной модели регуляции транскрипции. Оперон ^ это тесно связанная последовательность структурных генов, определя­ющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов, участвующих в метабо­лизме какого-либо вещества или в синтезе какого-то компонента клетки. Оперонная модель регуляции экспрессии генов предпола­гает наличие единой системы регуляции у таких объединенных в один оперон структурных генов, имеющих общий промотор и оператор.

Особенностью прокариот является транскрибирование мРН К со всех структурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, с которого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды.

Примером участия генетических и негенетических факторов в регуляции экспрессии генов у прокариот может служить функцио­нирование лактозного оперона у кишечной палочки Е. соН (рис. 3.86) При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геномрегулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов 2, У, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза вза­имодействует с промотором и осуществляет транскрипцию поли-цистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение со­держания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов 2, У, А.

Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полици-стронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.

V '

3.6.6.4. Регуляция экспрессии генов у эукариот

В связи с особенностями организации отдельных генов эукариот и генома в целом регуляция генной активности у них характеризу­ется некоторыми отличиями по сравнению с прокариотами.

У эукариот не установлено оперонной организации генов. Гены, определяющие синтез ферментов одной цепи биохимических реак­ций, могут быть рассеяны в геноме и, очевидно, не имеют, как у прокариот, единой регулирующей системы (ген-регулятор, опера­тор, промотор). В связи с этим синтезируемые мРНК у эукариот моноцистронны, т. е. являются матрицами для отдельных пептид­ных цепей.

В настоящее время механизмы регуляции и координации актив­ности эукариотических генов интенсивно изучаются. Установлено, что их функционирование несомненно подчиняется регуляторным воздействиям, однако регуляция транскрипции у эукариот является комбинационной, т. е. активность каждого гена регулируется большим спектром генов-регуляторов

У многих эукариотических генов, кодирующих белки и транс­крибируемых РНК-полимеразой II, в ДНК имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами.

тивный генетический контроль, при котором активация небольшой части генома оказывается более экономичной, нежели репрессия основной массы генов.

Несомненной особенностью регуляции транскрипции у эукари-от является подчиненность этих процессов регулирующим влияни­ям со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецеп­торы узнают определенные последовательности ДНК.

Специфичность регулирующего воздействия гормона на транс­крипцию обусловлена не только природой самого гормона, но и природой клетки-мишени, синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет на транскрипцию определенного для данной клетки набора генов. Примером участия гормонов в регу­ляции активности определенных генов может служить влияние тестсч:тегх>наита_развитие тканей организма по му^сс^омудипу-лри наддчии специф№тес^то^бёлка-рёцептора Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение опре­деленного набора генов: развивается синдром тестикулярной феми­низации, или синдром Морриса (см. разд. 3.6.5.2). ' Следующая особенность регуляции генной активности у эука-риот связана с образованием стойкого комплекса ДНК с белками —хроматина Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гиетонам, поэтому они, несомненно, участвуют и в процессах регуляции генной активности (см. разд. 3.5.4). Не­пременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительная декомпактизация хроматина на соответ­ствующем участке, где временно утрачивается связь с Ш-гистонами и несколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Прав­да, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена.

Отличительной особенностью регуляции экспрессии генов у эукариот является возможность ее осуществления не только на стадии транскрипции, но и на других этапах растянутого во времени процесса реализации наследственной информации. Регуляция на стадии транскрипции является наиболее экономичной, но недоста­точно быстро реагирующей на изменение ситуации. Так, возникшая в клетке потребность в каком-либо белке не может быть быстро удовлетворена путем включения транскрипции соответствующего гена. Синтезированный транскрипт должен подвергнуться процес-сингу, затем зрелая мРНК должна образовать комплекс с рибосомами, осуществить трансляцию информации^ синтезировав пептид, который, лишь пройдя посттрансляционное изменение, образует активный белок, необходимый клетке. « :

В том случае, когда клетке нужно прекратить синтез какого-то продукта, после выключения транскрипции соответствующего гена в цитоплазму некоторое время будут продолжать поступать созре­вающие молекулы мРНК, осуществляющие гам синтез пептидных цепей, пока они не деградируют под действием ферментов. Таким образом, для эффективной регуляции экспрессии генов у эукариот должны существовать механизмы, работающие не только на стадии транскрипции, но и на других этапах этого процесса.

Связанная с экзон-интронной организацией генов необходи­мость процессинга, в том числе сплайсинга, делает возможным регу­ляцию этих процессов в ядре. В настоящее время обсуждается роль интронных участков ДНК в изменении схемы сплайсинга при синтезе антител (см. разд. 3.4.3.2) или цитохрома А (см. разд. 3.4.3.3). Это создает возможность, используя один и тот же первичный транскрипт, обеспечивать образование матриц для разных пептидов, вырезая из них разные последовательности Или изменяя последо­вательности на 5'- и З'-концах мРНК.

Очевидно, и транспорт зрелых мРНК из ядра в цитоплазму также регулируется определенным образом, так как установлено, что лишь небольшая часть РНК, транскрибируемой с генов, после сплайсинга покидает ядро. Значительное количество ее деградирует. Возможно, это является результатом процессинга, приводящего к появлению «неправильных» матриц. ,

Существуют механизмы, обеспечивающие регуляцию процессов синтеза пептидных цепей. Они менее экономичны, но отличаются быстротой реагирования на изменения Потребностей клетки в дан­ном белке. Регуляция трансляции осуществляется на стадии ини­циации путем воздействия на один из факторов инициации, ката­лизирующий присоединение к малой субъединице рибосомы тРНК, несущей метионин (формилметионин) (см. разд. 3.4.3). В результате при наличии в цитоплазме мРНК трансляции на ней не происходит. Такая Ситуация наблюдается, например, при отсутствии в цитоп­лазме тема, что ведет к выключению трансляции глобиновых цепей гемоглобина.

Наконец, регуляция процесса реализаций наследственной ин­формации может осуществляться и на стадии посттрансляционных изменений. Прекращение этих процессов обусловливает задержку в формировании активных молекул белка при наличии необходимых для этого пептидных цепей. Например, для формирования активной формы белкового гормона —инсулина —из проинсулина должны вырезаться две субъединицы. Торможение этих процессов умень­шает выход конечного активного продукта;

Таким образом, рассмотренный выше пример регуляции экс­прессии генов демонстрирует сложнейшие взаимосвязи, которые существуют между ними в геноме. Формирование любого признака поэтому нельзя рассматривать как результат действия одной пары аллельных генов в генотипе. В любом случае регуляция экспрессии ответственного за этот признак гена осуществляется при участии других генов.