Регуляция экспрессии генов у эукариот

Регуляция экспрессии генов у эу­кариот осуществляется на предтранскрипционном этапе, в ходе транскрип­ции и на всех других этапах процесса реализации генетической информации, заключенной в гене: посттранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном (рис. 4.34).

Большую роль в регуляции экспрес­сии генов на предтранскрипционном этапе играют процессы, связанные с из­менениями структурной организации хроматина и степени спирализации ДНК, которые во многом определяют возможность РНК-полимеразы при­соединяться к промотору гена и транс­крибировать мРНК. Транскрипция эу­кариотических генов осуществляется лишь на нуклеосомном уровне орга­низации хроматина, когда связь между ДНК и гистонами ослаблена или вовсе отсутствует, и становится невозмож­ной при формировании элементарной хроматиновой фибриллы и других бо­лее высоких уровней компактизации хроматина. Поэтому эукариотические гены, локализующиеся в области гете­рохроматина, обычно не транскриби­руются. Не транскрибируются также гены, промоторы которых расположе­ны в участках ДНК, соединяющихся с ядерной ламиной или с белковым ске­летом хромосом.

В настоящее время установлено, что структурная модификация хроматина тесно связана с химическими преобра­зованиями белков-гистонов, особенно их «хвостов», которые, выходя на по­верхность нуклеосомы, оказываются доступными для действия различных ферментов. Например, присоединение ацетильных групп (—СОСН₃) фермен­том гистонацетилтрансферазой к ос­таткам лизина гистоновых «хвостов» приводит к декомпактизации хрома­тина, что облегчает инициацию транс­крипции. Напротив, удаление ацетиль­ных групп делает хроматин транскрипционно неактивным (рис. 4.35).

Эти и многие другие данные, полу­ченные в последние годы, позволили выдвинуть предположение о том, что экспрессия многих генов регулируется посредством так называемого «гисто­нового кода» — комбинации химиче­ских модификаций гистоновых «хво­стов» хроматина, передающихся в ряду клеточных делений. От количества модификаций, их качественного со­става и специфического набора в итоге зависит экспрессия гена: быть ему ак­тивным или репрессированным. Счита­ется, что гистоновый код представляет собой основной эпигенетический ме­ханизм, с помощью которого в клетках закодирована программа каскадного «включения—выключения» генов. Ука­занный код можно сравнить с матрицей, которая распознается регуляторными белками, модифицирующими структуру хроматина, разрыхляющими или, нао­борот, уплотняющими его. Результатом этого является изменение экспрессии генов, расположенных в модифициро­ванных участках хроматина.

Большое значение в регуляции экс­прессии генов на предтранскрипционном этапе имеют процессы, связанные с метилированием цитозиновых осно­ваний ДНК с образованием метилцитозина. Указанная модификация копи­руется при удвоении ДНК и передается в ряду клеточных поколений. Объясня­ется это способностью молекулярных систем клетки распознавать метилиро­ванные цитозины на материнской цепи ДНК и присоединять метальные группы к таким же основаниям на вновь синтезируемой дочерней цепи. Метили­рование цитозиновых оснований ДНК приводит к репрессии генов и служит одной из причин импринтинга.

На этапе транскрипции регуля­ция экспрессии генов у эукариот в об­щих чертах осуществляется так же, как у прокариот. Основное различие заключается в значительно большем количестве у эукариот, по сравнению с прокариотами, регуляторных после­довательностей ДНК и регуляторных белков, контролирующих транскрип­цию каждого гена. Фундаментальный принцип регуляции транскрипции ге­нов эукариот заключается в том, что она является комбинационной. Это означает, что каждый эукариотический ген имеет свою специфическую комби­нацию регуляторных последователь­ностей (контролирующих элементов), расположенных не только в непосред­ственной близости от промотора, но и находящихся на большом удалении от него, с которыми непосредственно связываются белки, регулирующие экс­прессию гена (рис. 4.36).

В настоящее время у эукариот откры­ты сотни белков-активаторов и белков- репрессоров транскрипции, в строении которых имеются общие для всех них черты.

Указанные белки содержат в своем составе домен, посредством которого они непосредственно связываются с полинуклеотидными последователь­ностями контролирующих элементов, а также участки, предназначенные для взаимодействия с другими белками-коактиваторами или общими транс­крипционными факторами, участвую­щими в инициации транскрипции. Кроме того, многие регуляторные бел­ки активируют или ингибируют транс­крипцию только в составе комплексов с другими белками. Все такие белки имеют домен димеризации, ответствен­ный за формирование гомодимерных или гетеродимерных комплексов. Спо­собность регуляторных белков обра­зовывать гетеродимерные комплексы значительно увеличивает разнообразие специфических факторов транскрип­ции, что способствует более точной ре­гуляции экспрессии эукариотических генов. Многие регуляторные белки проявляют свою биологическую ак­тивность только после их химической модификации, чаще всего в результате фосфорилирования, в ответ на действие тех или иных сигналов. В структуре та­ких белков присутствуют специфиче­ские участки, подвергающиеся химиче­ским изменениям.

Все белки-активаторы, участвую­щие в образовании комплекса, ини­циирующего транскрипцию, действуют сходным образом: они связываются с другими регуляторными белками-коактиваторами, или общими транс­крипционными факторами, или и с теми, и с другими, что способству­ет присоединению РНК-полимеразы к промотору и началу транскрипции. При этом значительное удаление энхансеров от промотора не препятству­ет участию связавшихся с энхансерами регуляторных белков-активаторов в инициации транскрипции. Согласно современным представлениям, при­соединение белков-активаторов к кон­тролирующим элементам энхансера вызывает белок-опосредованный изгиб молекулы ДНК, благодаря чему белки- активаторы, несмотря на большую уда­ленность энхансера от промотора, полу­чают возможность взаимодействовать в области промотора с другими белками, например общими транскрипционны­ми факторами, и усиливать транскрип­цию (см. рис. 4.36).

 

Регуляторные белки, функциони­рующие как репрессоры, в отличие от белков-активаторов, ингибируют экс­прессию генов несколькими способами.

Во-первых, белки-репрессоры мо­гут непосредственно присоединяться к контролирующим элементам ДНК энхансеров и тем самым блокировать при­соединение к ним белков-активаторов. Во-вторых, они могут препятствовать взаимодействию в области промотора белков-активаторов с другими белка­ми, способствующими образованию комплекса, инициирующего транс­крипцию.

Специфическая комбинация кон­тролирующих элементов, присущая каждому эукариотическому гену, слу­жит основой координированной регуля­ции генов. Иными словами, функцио­нально связанные между собой гены эукариот имеют общие для них регу­ляторные последовательности — кон­тролирующие элементы, с которыми связываются соответствующие специ­фические факторы транскрипции, благодаря чему достигается «включение» или «выключение» их в определенное время.

Регуляция экспрессии генов эука­риот на посттранскрипционном этапе в процессе созревания пре-мРНК обе­спечивается за счет альтернативного сплайсинга, в результате которого из одного и того же первичного транс­крипта образуются разные молекулы зрелых мРНК и, как следствие этого, синтезируются разные белки. Пока­зано, что альтернативный сплайсинг наблюдается в ходе экспрессии 94% генов человека. Экспрессия генов эу­кариот, благодаря наличию у них оформленного ядра, регулируется так­же в ходе транспорта зрелых мРНК из ядра в цитоплазму. Об этом убедитель­но свидетельствует то, что значительное количество вновь синтезированных молекул мРНК разрушается в ядре и лишь небольшая часть их попадает в цитоплазму.

На этапе трансляции регуляция экс­прессии эукариотических генов осу­ществляется посредством контроля времени функционирования молекул мРНК и скорости трансляции белков на рибосомах.

Один из механизмов, контролирую­щих время функционирования эукари­отических молекул мРНК, связан с осо­бенностями строения их регуляторных последовательностей, определяющих избирательное разрушение указан­ных мРНК под действием ферментов экзо- и эндонуклеаз. Например, чем длиннее поли (А)-фрагмент молекулы мРНК, тем больше время ее жизни. Су­щественно повышает чувствительность мРНК к расщеплению рибонуклеазами наличие в трейлерном участке этой мо­лекулы АУУУА последовательностей, или мотивов нестабильности. Напри­мер, показано, что перенос таких участ­ков из короткоживущей мРНК фактора роста предшественников эритроцитов в стабильные молекулы глобиновых мРНК вызывает быструю деградацию последних.

В клетках эукариот функционирует еще один механизм разрушения мРНК и блокады трансляции, связанный с недавно отрытыми молекулами ми- кроРНК (миРНК) и маленьких интер­ферирующих РНК (сиРНК), который получил название РНК-интерференции, или РНК-сайленсинга. Гены миРНК и сиРНК обычно локализуются в неин­формативных участках ДНК, располо­женных между белок-кодирующими генами, а также в интронах указанных генов. Поскольку молекулы миРНК и сиРНК выполняют сходные функции и отличаются лишь своим биогенезом, механизмы их образования и РНК- интерференции в пособии рассматри­ваются лишь на примере миРНК.

В процессе образования миРНК первоначально транскрибируется от­носительно длинная молекула-предшественник миРНК, содержащая шпилькообразные структуры, цепи в которой соединены между собой водородными связями по принципу комплементарности. Затем каждая та­кая «шпилька» под действием одной из ядерных эндонуклеаз вырезается из молекулы-предшественника с об­разованием короткой двухцепочечной молекулы пре-миРНК длиной пример­но 70 нуклеотидов с двумя свободны­ми 5'- и 3'-концами. Молекулы пре- миРНК образуют комплекс с белком- транспортином и в составе комплекса транспортируются из ядра в гиалоплаз­му. Здесь под действием специфической эндонуклеазы молекула пре-миРНК разрезается с образованием двухцепо­чечного фрагмента (дцРНК), состояще­го из 20 пар нуклеотидов и содержаще­го по два неспаренных нуклеотида на З'-конце. После чего указанный фраг­мент дцРНК образует комплекс с бел­ками, получивший название RISK(от англ. — RNA induced silencing complex). В составе комплекса одна из цепей дцРНК разрушается, а другая приобретает спо­собность связываться с комплементар­ными последовательностями молекул мРНК. Связывание миРНК с молекулой мРНК либо сопровождается разруше­нием молекулы мРНК, либо делает не­возможной ее трансляцию. Считается, что посредством РНК-интерференции регулируется экспрессия примерно одной трети всех генов человека.

Регуляция экспрессии эукариотиче­ских генов посредством контроля скоро­сти синтеза белков на рибосомах обыч­но осуществляется на стадии инициации трансляции. Наиболее часто механизм такой регуляции связан с присоедине­нием регуляторных белков к элементам вторичной структуры («шпилькам») молекулы мРНК, расположенным на их 5'-нетранслируемом участке. Это, в свою очередь, препятствует присоединению к мРНК малой субъединицы рибосомы и вызывает блокаду трансляции. При­мером такой регуляции экспрессии ге­нов служит изменение скорости синтеза белка ферритина в ответ на колебания содержания свободных ионов железа в организме человека (рис. 4.37).

В механизме регуляции скоро­сти синтеза ферритина большую роль играет полинуклеотидная последова­тельность, образующая шпилечную структуру в 5'-нетранслируемом участ­ке (лидере) ферритиновой мРНК. При низкой концентрации в клетке ионов железа с указанной последовательно­стью связывается регуляторный белок аконитаза, препятствуя таким образом трансляции ферритиновой мРНК рибо­сомами. Если содержание ионов железа в организме увеличивается, то белок аконитаза, связывая ионы свободного железа, утрачивает свою способность присоединяться к ферритиновой мРНК. В результате скорость синтеза феррити­на резко возрастает.

Биологическая целесообразность регуляции скорости синтеза ферритина ионами свободного железа объясняется тем, что указанные ионы в свободном состоянии токсичны для организма человека и переводятся в нетоксичную форму при связывании их белком ферритином.

У эукариот имеется еще один ме­ханизм регуляции экспрессии генов в процессе трансляции. Сущность его заключается в активации или инакти­вации одного или нескольких белковых факторов, инициирующих трансляцию, в результате чего обеспечивается одно­временное усиление или ослабление трансляции всех молекул мРНК, со­держащихся в клетке. Поэтому такая регуляция экспрессии генов на уровне трансляции получила название «гло­бальной». Большую роль «глобальная» регуляция экспрессии генов на этапе трансляции играет в процессах, связан­ных с развитием организма и диффе- ренцировкой клеток. Например, моле­кулы мРНК, синтезирующиеся в ходе оогенеза, не транслируются из-за низ­кой активности белковых факторов, инициирующих трансляцию. Однако сразу после оплодотворения яйцеклет­ки и образования зиготы в результате активации указанных белков начина­ется одновременная, как «по команде», трансляция всех ранее нетранслируемых молекул мРНК.

Регуляция экспрессии генов эука­риот на посттрансляционном этапе осу­ществляется посредством химической модификации, контроля транспорта и времени функционирования вновь син­тезированных полипептидов в клетке.

Для того чтобы выполнять специ­фические функции, вновь синтези­рованные полипептиды обычно под­вергаются фолдингу и разнообразным химическим модификациям. Кроме того, многие из них приобретают функ­циональную активность только после транспорта их к местам назначения. Например, гормон инсулин, образую­щийся в клетках поджелудочной же­лезы, первоначально синтезируется в виде проинсулина, молекула которо­го представляет собой относительно длинную полипептидную цепь, лишен­ную гормональной активности. Лишь после транспорта проинсулина в ком­плекс Гольджи, где он подвергается химической модификации с образова­нием двух коротких полипептидных цепей, соединенных между собой дву­мя дисульфидными связями, проинсу­лин превращается в активный инсулин. Подобно инсулину, белки-рецепторы становятся функционально активными только после химической модифика­ции (гликозилирования) их в комплек­се Гольджи и последующего транспорта в плазмалемму.

Время функционирования разных белков в клетке варьирует в широких пределах. Одни белки выполняют свои функции на протяжении нескольких ме­сяцев и даже лет, тогда как другие в тече­ние нескольких минут или часов. Напри­мер, многие регуляторные белки (белки-циклины, регулирующие клеточный цикл; белки-ферменты, катализирующие регуляторные реакции метаболических путей) функционируют в клетке лишь непродолжительное время, после чего они распадаются. Деградация таких «ко- роткоживущих» белков, выполняющих регуляторные функции, часто осущест­вляется посредством ферментативного присоединения к ним низкомолекуляр­ного белка — убиквитина, состоящего из 76 аминокислот. Белки, несущие на себе «убиквитиновые метки», распознаются специфическими крупномолекулярными комплексами, получившими название протеосом, и затем разрушаются в протеосомах под действием протеосомных протеаз (рис. 4.38).

 

 

Клеточные белки разрушаются также под действием лизосомных ферментов. Однако разрушение их лизосомными ферментами, в отличие от убиквитин-опосредованного механизма расщепления белков, осуществляется неспецифично.

_______

¹Увеличение содержания цАМФ в клетках кишечной палочки при отсутствии в культураль­ной среде глюкозы объясняется тем, что глюкоза инактивирует фермент аденилатциклазу, катали­зирующий образование цАМФ из АТФ, и активи­рует фермент фосфодиэстеразу, обеспечивающий превращение цАМФ в неактивный АМФ.

 

---

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 331; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!