Экспессия генов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспрессия генов -- это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт -- РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков.

Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Экспрессия генов является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественными характеристиками экспрессии одного гена может иметь влияние на функции других генов в целом организме.

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 мРНК 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. colt (рис. 3.86). При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной 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 Z, Y, А.

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

Современная теория регуляции экспрессии генов у прокариот была предложена французскими исследователями Ф.Жакобом и Ж.Моно, которые исследовали биосинтез у E.сoli ферментов, метаболизирующих лактозу (в- галактозидазы, в-галактозидпермеазы и в-галактозидтрансацетилазы). Обнаружено, что при культивировании E.сoli на глюкозе содержание ферментов, метаболизирующих лактозу, минимально, но при замене глюкозы на лактозу происходит взрывоподобное усиление синтеза ферментов, разщепляющих лактозу на глюкозу и галактозу, и обеспечивают последующий метаболизм последних.

У бактерий существуют ферменты 3-х типов: а) конститутивные, которые присутствуют в клетках в постоянных количествах, независимо от их метаболического состояния; б) индуцибельные - их количество в клетках при обычных условиях незначительно, но может увеличиваться в сотни и тысячи раз, если в культуральную среду добавлять субстраты этих ферментов; в) репрессабельные - ферменты, синтез которых в клетке прекращается при добавлении в среду конечных продуктов тех метаболических путей, где функционируют эти ферменты. На основании этих фактов и была сформулирована теория оперона.

Оперон - это комплекс генетических элементов, отвечающих за координированный синтез ферментов, которые катализируют ряд последовательных реакций. В состав лактозного оперона E.сoli (Lac-оперон) входят: 1 структурные гены, которые кодируют первичную структуру ферментов, катализирующих последовательные реакции метаболизма лактозы 2. контрольные (регуляторные) сайты оперона, которые содержат промотор, оператор и терминатор. Промотор - это участок ДНК, с которым взаимодействует РНК-полимераза, а промотор Lac-оперона дополнительно содержит участок, с которым взаимодействует белок-активатор, контролирующий связывание РНК- полимеразы с промотором. Оператор - это участок ДНК, с которым специфически связывается белок-репрессор. Оператор непосредственно прилегает к структурным генам и связывание белка-репрессора с оператором противодействует считыванию РНК-полимеразой информации со структурных генов. Терминатор - это последовательность ДНК, которая распознается РНК- полмеразой как сигнал к прекращению транскрипции. Для функционирования оперона еще необходимо существование регуляторного гена, который экспрессирует регуляторный белок-репрессор. Этот ген структурно не связан с опероном и может находиться на значительном расстоянии от него.

1.Репрессия Lac- оперона. Синтез ферментов метаболизма лактозы в клетках E.сoli заблокирован, поскольку связанный с оператором белок- репрессор противодействует транскрипции генов этих ферментов. Среда содержит достаточные количества глюкозы.

2.Индукция Lac- оперона. При снижении в среде уровня глюкозы и появлении лактозы гены, кодирующие ферменты обмена лактозы, разблокируются. Лактоза связывается с белком-репрессором и изменяет его конформацию. Репрессор теряет сродство к оператору и покидает его. Начинается транскрипцию генов метаболизма лактозы и синтез молекул этих ферментов. То есть лактоза выполняет функцию индуктора синтеза ферментов, которые катализируют ее собственный обмен.

3.Существует еще один вариант индукции Lac-оперона, благодаря существованию белка активатора катаболических генов. Этот белок после присоединения цАМФ стимулирует транскрипцию структурных генов, а уровень цАМФ возрастает в ответ на дефицит глюкозы.

Метаболический принцип регуляции активности оперона; сродство белка- репрессора к оператору контролируется метаболитами цепи реакций, ферменты которой кодируются этим опероном.

Различают индуцибельные опероны, активатор которых - исходный субстрат метаболического пути. При отсутствии субстрата белок-супрессор блокирует оператор и не дает РНК-полимеразе транскрибировать структурные гены. При появлении субстрата определенное его количество связывается с белком - репрессором, тот теряет сродство к оператору и покидает его. Это приводит к разблокированию транскрипции структурных генов. Репресабельные опероны - для них регулятором служит конечный метаболит. В его отсутствии белок - репрессор имеет низкое сродство к оператору и не мешает считыванию структурных генов (ген включен). При накоплении конечного метаболита, определенное его количество связывается с белком-репрессором, который приобретает повышенное сродство к оператору и блокирует транскрипцию генов.

Оперон (Operon)

Группа тесно связанных между собой генов, которые регулируют образование ферментов в организме. В состав оперона входит один или несколько структурных генов (structural genes), которые определяют природу образующихся ферментов, и ген-оператор (operator gene), который контролирует деятельность структурных генов и сам, в свою очередь, контролируется регуляторным геном (regulator gene), не входящим в состав оперона.ОПИАТ (opiate) - представитель группы лекарственных веществ, получаемых из опиума; в состав этой группы входят: апоморфин, кодеин, морфин и папаверин. Опиаты угнетают деятельность центральной нервной системы: они уменьшают боль, подавляют приступы кашля, а также стимулируют рвотный рефлекс. Самый важный опиат -морфин -иегосинтетическая производная диаморфин (см. Героин) являются наркотиками; они вызывают у человека чувство эйфории перед наступлением ступора. Эти опиаты применяются исключительно для уменьшения сильной боли. РЕПРЕССОР (лат. repressor -- ограничивающий, сдерживающий, от reprimo -- подавляю, обуздываю), регуляторный белок, подавляющий транскрипцию генов регулируемого им оперона в результате связывания с оператором (регуляторным участком оперона). Это приводит к прекращению синтеза соотв. и РНК и, следовательно, ферментов, кодируемых опероном. Р. синтезируется под контролем гена-регулятора в кол-ве от 10 до 20 молекул на клетку в виде активной, т. е. способной непосредственно связываться с оператором, или неактивной форм. Образование активного Р. характерно для т. н. индуцибельных ферментов, синтез к-рых начинается только при попадании в клетку специфич. низкомолекулярных веществ -- индукторов. Связывание индуктора с Р. инактивирует Р. и тем самым открывает синтез соотв. ферментов (индукция). Для т. н. репрессибельных ферментов характерно образование неактивного Р. (апорепрессора), активация к-рого происходит при попадании в клетку низкомолекулярных веществ -- корепрессоров. При этом синтез ферментов, кодируемых опероном, прекращается (репрессия). Обычно индукторы и корепрессоры обозначают общим термином -- эффекторы (см. РЕГУЛЯТОР, ОПЕРАТОР, ОПЕРОН) боли, так как могут привести к развитию у человека зависимости от них. polycistronic message - полицистронная мРНК.

Молекула мРНК, кодирующая последовательности более чем одного белка; образуется при транскрипции двух или нескольких соседствующих генов, входящих в состав одного оперона.

Регуляция экспрессии генов в клетках эукариот

Если в клетках прокариот синтез РНК обеспечивается одним ферментом, РНК-полимеразой, то в клетках эукариот синтез различных типов РНК осуществляется различными РНК-полимеразами. РНК-пол. I обеспечивает синтез высокомолекулярных предшественников рРНК, РНК-пол. III - низкомолекулярных РНК, в том числе тРНК и 5S рРНК, а РНК-пол. II синтезирует молекулы мРНК, которые транслируясь, определяют аминокислотные последовательности в молекулах белков. Или, другими словами, только мРНК несут информацию об аминокислотной последовательности в белках. Остальные типы РНК обеспечивают механизм трансляции, т. е. синтез белков.

В этом небольшом разделе мы рассмотрим только механизмы синтеза мРНК. В клетках эукариот содержится около 40 000 молекул РНК-пол. II, причем их количество изменяется в зависимости от функциональных свойств клетки. генный прокариот экспрессия энхансерный

Включение и выключение генов в клетках эукариот регулируется множеством разнообразных высокоспецифичных процессов. Многие из специфичных белков, регулирующих транскрипцию (факторы транскрипции), непосредственно связываются с нуклеотидной последовательностью ДНК (не более 10 пар нуклеотидов). В отличие от прокариот у эукариот гены не организованы в опероны в том смысле, что каждый структурный ген имеет свой собственный набор регуляторных элементов.

Гены эукариот имеют промоторные участки (ТАТА- бокс, или бокс Хогнесса) из 8 нуклеотидов. Эти элементы находятся на расстоянии 25, 75 и 90 н. п. от сайта инициации. Транскрипция гена начинается с того, что с ТАТА-боксом связывается фактор транскрипции - TFIID, который представлен комплексом по крайней мере 14 белков. После чего с TFIID и участками ДНК, примыкающими к TATA-боксу, связываются все другие факторы транскрипции и в завершении со всем этим образовавшимся комплексом связывается РНК-пол. II. Однако для начала транскрипции необходимы дополнительные факторы транскрипции.

Если структура ТАТА-блока изменена, то транскрипция соответствующего гена становится невозможной. Транскрипция будет невозможна и в случае отсутствия или изменения хотя бы одного из многочисленных факторов транскрипции.

В клетках эукариот идентифицированы факторы транскрипции, которые специфически связываются с регуляторными последовательностями генов ССААТ и GС. Однако как белково- нуклеиновые взаимодействия в данном случае определяют регуляцию транскрипции неясно, так как эти регуляторные последовательности расположены на расстоянии более 75 п. н. от сайта инициации транскрипции.

Еще более загадочным является механизм регуляции транскрипции энхансерными последовательности.

Энхансеры - это последовательности ДНК расположенные на расстоянии сотен и даже тысяч пар оснований от сайта инициации структурного гена и способные многократно повышать скорость транскрипции соответствующего структурного гена. Следовательно, регуляция транскрипции осуществляется не только на уровне запуска или остановки процесса, но и на уровне изменения скорости синтеза РНК.

Временной фактор регуляции, который мы еще рассмотрим в следующем разделе, является чрезвычайно важным для функционирования биологических систем. Для биологических систем важно не только сколько (количество) и где (пространственное расположения), но и когда (временное совпадения) осуществляются процессы.

Следующей особенностью регуляции, которую можно рассмотреть на примере регуляции транскрипции, является принцип каскадности (или иерархичности), т. е. гены активируются в результате каскада - последовательных событий. Так, например, изменение концентрации гормона в крови может привести к запуску синтеза специфических типов мРНК и, как следствие, соответствующих белков.

Гормон, поступив в кровоток, связывается со специфическим рецептором, который обеспечивает его проникновение в клетку. В клетке гормон связывается со специфическим белком, изменяет его конформацию, только в таком случае этот измененный белок способен проникнуть в ядро и связаться со специфическим регуляторным элементом транскрипции.

Познакомившись с некоторыми особенностями инициации транскрипции генов эукариот, можно заключить, что структурный ген имеет множество регуляторных элементов. Эти регуляторные элементы активируются множеством специфических факторов регуляции. Запуск регуляторного каскада транскрипции осуществляется разнообразными факторами.

Если в клетках бактерий синтезированная РНК сразу же используется в процессе трансляции, то в клетках эукариот процессы синтеза РНК и трансляция (синтез белка на ней) разделены в пространстве и во времени. Более того, вновь образованные молекулы РНК в клетках эукариот подвергаются посттранскрипционным модификациям и "созреванию", которые сводятся к осуществлению процессинга.

Следовательно, в клетках эукариот от процесса синтеза РНК до процесса синтеза белка функционирует сложная многоуровневая каскадная система регуляции. Рассмотрим основные этапы этой многоуровневой регуляции процесса экспрессии генов.

Эукариотическая РНК-полимераза, как и полимераза прокариот, начинает и завершает синтез молекул РНК в строго определенных местах. Образующийся первичный транскрипт значительно превышает длину зрелой мРНК.

В процессе синтеза новообразованная РНК связывается со специфическими белками, что ведет к образованию рибонуклеопротеидных комплексов (РНП-частицы). В изучение этого этапа регуляции экспрессии генов внес вклад академик Г. П. Георгиев.

Белки, связывающие РНК, обеспечивают специфическую упаковку и укладку молекул РНК.

Такая компактизация новообразованных РНК обеспечивает регуляцию процессинга первичных РНК-транскриптов и, вероятно, последующего транспорта РНК из ядра в цитоплазму.

Новообразованную РНК называют гетерогенной ядерной РНК (ГяРНК). Гетерогенной эта РНК была названа из-за высокого разнообразия размера молекул.

ГяРНК, связанная со специфическими белками, подвергается серии ковалентных модификаций, которые обусловливают функциональную специализацию молекул мРНК. Созреванию подвергаются не только матричные, но и другие типы РНК.

Еще во время синтеза молекулы РНК осуществляется ее кэширование. Кэпирование - это достраивание на 5'-конце остатка молекулы 7-метилгуанозина, он ковалентно связан 5'-концевым трифосфатом. Так как синтез молекулы РНК осуществляется в направлении 5'-3', то кэпирование осуществляется еще до завершения синтеза всей молекулы РНК.

"Кэп" обеспечивает процесс последующего связывания молекулы РНК с рибосомой, т. е. принимает участие в регуляции синтеза белка.

Рост молекулы РНК продолжается в направлении 5'-3' со скоростью 30 нуклеотидов в секунду до тех пор, пока РНК- полимераза не встретится с последовательностью ДНК, являющейся сигналом терминации.

Сразу после завершения транскрипции к 3'-концу молекулы мРНК присоединяется от 100 до 200 остатков адениловой кислоты [поли (А)]. ЭТОТ процесс называют полиаденилированием, он регулируется ферментом поли-(А)-полимеразой.

Функция поли-А-фрагмента окончательно не установлена, считается, что он обеспечивает дальнейший процессинг молекулы, транспорт зрелых молекул мРНК в цитоплазму и количество циклов трансляции.

Так как кэпирование 5'-конца и полиаденилирование 3'-конца осуществляется только в молекуле мРНК, т. е. молекул, синтезируемых РНК-пол. II, то была высказана гипотеза, что ферменты, участвующие в этой модификации РНК, взаимодействуют с РНК- пол. II, но не с РНК-пол. I и III.

Необходимо отметить, что поли-А-фрагмент, который характерен только для молекул мРНК, используется для аналитического отделения молекул мРНК от рРНК и тРНК. Это разделение основано на использовании аффинной хроматографии.

Образование первичного транскрипта гяРНК регулируется большим количеством специфических факторов. На первом этапе формируется инициаторный комплекс, на втором этапе осуществляется элонгация - собственно синтез гяРНК и кэпирование 5'- конца молекулы РНК, на третьем этапе, сразу после завершения синтеза осуществляется полиаденилирование РНК.

Первичный транскрипт гяРНК нестабилен и подвергается дальнейшим превращениям - процессингу, который и обеспечивает формирование "зрелых" молекул мРНК.

Размещено на Allbest.ru