1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Регуляція експресії генів у еукаріотів

Регуляція експресії генів у еукаріотів

Система регуляції експресії генів у еукаріотів пов’язана з особливостями функціонування еукаріотичного генома. Хоча і у прокаріотів, і в еукаріотів функціонують системи регуляторних білків, наявність ядра і нуклеосомна організація хроматину еукаріот дають набагато більше можливостей для регуляції.

Ядро стало найважливішим еволюційним придбанням еукаріот.

Завдяки ядерній мембрані, поділяються зони транскрипції і трансляції, що дозволяє здійснювати складну і різноманітну регуляцію експресії генів. Така регуляція відбувається на всіх етапах.

Регуляція на рівні транскрипції

Основним рівнем регуляції експресії в еукаріот є регуляція на рівні транскрипції. Варіанти такої регуляції вельми різноманітні.

Найбільш універсальним методом регуляції транскрипції служить конденсація-деконденсація хроматину. Добре відомо, що при активації генетичного матеріалу він деконденсується. З іншого боку, далеко не весь еухроматин транскрибується. Тому є й інші шляхи контролю транскрипції.

Для еукаріот характерна диференціальна експресія генів в різних клітинах організму, тому багатоклітинні організми мають різноманітні диференційовані клітини. Хоча у всіх клітинах містяться однакові гени, експресуються вони не однаково. Основний напрямок регуляції клітинного диференціювання здійснюється за допомогою тканеспецифічних транскрипційних факторів. Вони представляють собою білки регуляторних генів, які контролюють диференціальну активність інших генів.

Іншим напрямком є ​​використання альтернативних промоторів.

У різних типах клітин з одного гена можуть бути утворені різні білки. Так, ген білка дистрофіна містить 7 промоторів, які зчитують інформацію, починаючи з різних екзонів.

Велике значення в регуляції експресії генів у еукаріотів надається чиннику метилювання ДНК всередині регуляторних областей. Метилювання піддається цитозин у складі ЦГ-динуклеотид, що зазвичай призводить до інактивації гена. Деметилювання ДНК відновлює активність. Цей важливий процес регулюють ферменти метилтрансферази.

Окремим випадком регуляції на рівні транскрипції є гормональна регуляція, при якій гени “включаються” у відповідь на зовнішній сигнал. Сигнал запускає експресію тільки тих генів, які мають специфічні послідовності ДНК у своїх регуляторних областях.

Вельми загадковим способом регуляції є геномний імпринтинг – це диференціальний прояв батьківських і материнських генів в організмі. Геноми як би «запам’ятовують» своє походження. Механізм цього явища не встановлений.

З даним явищем схожа інактивація Х-хромосоми в соматичних клітинах жіночого організму ссавців. Правда, одна з двох Х-хромосом в клітинах плода інактивується випадковим чином, тому в різних клітинах жіночого організму експресуються як батьківські, так і материнські Х-хромосоми.

На процеси «включення» і «виключення» генів, їх конденсації і деконденсації відчутний вплив надають різні хромосомні перебудови, МГЕ, які змінюють ефект положення гена.

Для еукаріот не характерна регуляція за типом оперона.

Більшість м-РНК еукаріот – моноцистронні. Більше того, гени, які контролюють один метаболічний шлях, у еукаріот часто розкидані по всьому геному. Але в цьому правилі є виняток. Гени р-РНК і мітохондрій транскрибуються на єдину транскрипційну одиницю, яка розрізається після процесингу. Вважається, що такий спосіб дозволяє уніфікувати регуляцію схожих генів.

Регуляція на рівні процесингу

У еукаріотів транскрипція гена ще не означає його прояви у фенотипі. Молекули РНК, які синтезовані в ході транскрипції, у еукаріотах піддаються істотним модифікаціям. Сукупність таких перетворень і становить сутність процесингу.

На рівні процесингу, в першу чергу, необхідно відзначити механізм альтернативного сплайсингу, що дозволяє змінювати порядок зшивання екзонів.

Таким чином, на основі однієї і тієї ж нуклеотидної послідовності одного гена формуються різні білки, які складаються з різних сполучень одних і тих же амінокислотних блоків.

Феномен альтернативного сплайсингу змінив наші уявлення про природу гена.

Його поширеність виявилася значно вищою, а роль в еволюції – важливішою, ніж передбачалося спочатку. Альтернативний сплайсинг характерний для більш ніж третини генів людини.

Так, на гені білка тропоніну, який містить 18 екзонів, за рахунок альтернативного сплайсингу може утворюватися 64 різних білкових продукти.

У середньому один ген людини кодує близько трьох білків.

Іншим цікавим способом регуляції на рівні процесингу є тканиноспецифічне редагування РНК. Воно виявлено у мікроорганізмів, грибів, ссавців і проявляється заміною окремих нуклеотидів в молекулі РНК за допомогою спеціального ферментного комплексу. Якщо у випадку заміни замість смислового кодону утворюється стоп-кодон, то в новому поліпептидному ланцюгу будуть відсутні всі амінокислоти, які йдуть після нього. Виходить білок з абсолютно новими властивостями.

У ооцитах деяких тварин відбувається накопичення і-РНК, у яких не закінчений процесинг. Такі РНК не транслюються.

Закінчення процесингу і подальша експресія наступають тільки після запліднення.

Приблизно половина і-РНК повністю розпадається в ядрі, не виходячи за його межі. Можливо, до розпаду схильні такі транскрипти, які не здатні перетворитися на зрілу і-РНК.

Регуляція на рівні трансляції

Механізми регуляції експресії на рівні трансляції вивчені недостатньо детально. Виборча трансляція м-РНК здійснюється відбором певних м-РНК шляхом блокування доступу до рибосоми.

У разі виборчої стабілізації певних типів м-РНК в цитоплазмі, вони не піддаються розпаду після трансляції. Наочним прикладом диференціальної стабільності м-РНК може служити синтез білків глобінів на стабільних м-РНК без’ядерних ретикулоцитів ссавців.

Мутації, які блокують поліаденилювання, навпаки, призводять до утворення дуже нестабільних транскриптів. Виявлені й інші механізми, які регулюють стабільність м-РНК.

Регуляція на рівні посттрансляційній модифікації білка

Посттрансляційна модифікація поліпептиду і перетворення його у функціонально активну молекулу білка завершує процес реалізації генетичної інформації. Вона представляє  собою різні модифікації певних амінокислот (фосфорилування, ацетилювання), видалення деяких з них, і на цій основі формування вторинної, третинної, четвертинної структури білка.

На посттрансляційному рівні також можлива регуляція експресії.

Широко поширений механізм регуляції активності ферментів, заснований на приєднанні молекул-ефекторів, в ролі яких часто виступають кінцеві продукти біосинтезу.

В останні роки в геномах різних тварин були виявлені численні РНК, які виконують регуляторні функції. Вони отримали назву риборегуляторів. Особливе значення мають короткі двониткові мікро-РНК. Їх здатність послаблювати роботу окремих генів отримала назву РНК-інтерференції.

Проблема регуляції експресії генів призводить до питання про координацію цієї регуляції: яким чином в кожній клітині відбувається активація саме необхідної комбінації генів, що визначають її фенотип? Для ссавців (у тому числі і для людини) встановлена наявність великої кількості факторів регуляції надклітинного рівня, включаючи фактори:

  • нервової;
  • ендокринної систем.
ПОДІЛИТИСЯ: