Экспрессия генов

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Экспрессия генов

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 стадиипосттрансляционных 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.

Существуют гены, кодирующие нематричную РНК (например, рРНК, тРНК), которые транскрибируются, но не транслируются в белки.

Процесс экспрессии генов происходит в организмах всех живых существ: эукариот (в том числе в многоклеточных организмах), прокариот (у бактерий и архей), а также вирусов - для создания макромолекулярных основ для их жизнедеятельности. Некоторые процессы, происходящие при экспрессии генов, могут модулироваться определенными факторами, например транскрипция, сплайсинг РНК, трансляция и посттрансляционная модификация белка.

Конечным результатом экспрессии генов, кодирующих белки или нуклеиновые кислоты, должно быть образование этих полноценных в функциональном отношении макромолекул, сопровождаемое формированием определенного фенотипа организма. В соответствии с основным постулатом молекулярной биологии генетическая информация в процессе ее реализации передается однонаправленно от нуклеиновых кислот к белкам. При этом реализуется следующая обобщенная схема: ДНК РНК белок, которая подчеркивает, что в ряде специальных случаев возможна передача генетической информации от РНК к ДНК с использованием механизма обратной транскрипции. До сих пор не обнаружена передача генетической информации от белков к нуклеиновым кислотам. На первом этапе экспрессии генов происходит переписывание генетической информации, заключенной в генах, на матричные(информационные) РНК (мРНК - messenger RNA, mRNA), которые являются местом промежуточного хранения этой информации при ее реализации. В некоторых случаях уже сами РНК являются конечным результатом экспрессии генов, и после ряда ферментативных модификаций они непосредственно используются в клеточных процессах. Это относится, прежде всего, к рибосомным и транспортным РНК (рРНК и тРНК), которые вместе составляют основную часть суммарной РНК клетки. К таким РНК принадлежат и малые ядерные РНК (мяРНК), участвующие в процессинге предшественников мРНК эукариот, РНК, входящие в состав ферментов, и природные антисмысловые РНК

ген экспрессия биосинтез

2. Основные пути регуляции экспрессии генов

Конечным результатом экспрессии любого известного гена на молекулярном уровне является образование молекул РНК или белка, информация о первичной структуре которых закодирована в этом гене. Процесс биосинтеза белка складывается из многих взаимосвязанных этапов. Как уже упоминалось выше, основными из них являются транскрипция, трансляция, а также посттранскрипционные и посттрансляционные процессинг и модификации РНК и белка. Поэтому изменение скорости протекания каждого из данных этапов сопровождается, в конечном счете, изменением внутриклеточного содержания функционально активного продукта экспрессии гена. Следовательно, регуляторное воздействие на любом из этих этапов может привести к изменению уровня экспрессии соответствующего гена в клетках. Регулируемая экспрессия генов предполагает высокоспецифическое изменение внутриклеточного содержания кодируемых этими генами белков и нуклеиновых кислот в ответ на действие продуктов экспрессии других генов или регуляторных сигналов внутри- и внеклеточного происхождения, например низкомолекулярных метаболитов, ксенобиотиков или физических факторов (температура, ионизирующее излучение и т.п.). Избирательность таких воздействий становится возможной благодаря образованию высокоспецифических белок-белковых комплексов, комплексов лиганд-рецептор, распознаванию белками определенных последовательностей нуклеотидов ДНК или РНК, а также вследствие комплементарных взаимодействий нуклеиновых кислот друг с другом.

Избирательное действие низкомолекулярных биорегуляторов на гены происходит опосредованно через соответствующие рецепторы белковой природы. При этом, как правило, реализуется следующая схема: высоко- или низкомолекулярный эффектор (лиганд) специфически связывается с регуляторным белком-рецептором (например репрессором или активатором гена), изменяя конформацию рецептора таким образом, что он приобретает способность распознавать регуляторные последовательности нуклеиновых кислот или других регуляторных белков. Подобные взаимодействия, происходящие на одном из вышеупомянутых этапов биосинтеза белка, далее сопровождаются изменением эффективности экспрессии его гена. Очевидно, что наиболее продуктивно можно оказывать влияние на экспрессию гена через его транскрипцию. При таком способе регуляции должен изменяться внутриклеточный уровень соответствующих мРНК, который может лимитировать биосинтез белков рибосомами. Кроме того, прекращение синтеза мРНК для уменьшения внутриклеточного содержания ненужных в данный момент белков экономично и с энергетической точки зрения, так как с прекращением транскрипции перестает затрачиваться энергия на биосинтез ненужных макромолекул - мРНК или их предшественников. Действительно, регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции широко распространена в природе.

Однако этот способ не является единственным. В ряде случаев накопление мРНК в виде внутриклеточного пула без немедленной их трансляции происходит перед определенными стадиями дифференцировки клеток, например в яйцеклетках до оплодотворения. Эти неактивные мРНК могут длительное время храниться и немедленно использоваться после получения клетками соответствующих сигналов. Кроме того, альтернативный процессинг мРНК приводит к образованию из одного и того же предшественника нескольких зрелых мРНК, трансляция которых сопровождается синтезом разных белковых продуктов. Специальные регуляторные механизмы могут изменять соотношения таких процессированных мРНК и, как следствие, внутриклеточное содержание кодируемых ими полипептидов. Использование регуляции данного типа позволяет повысить кодирующие возможности генов путем более сжатого хранения генетической информации. Не меньшую пользу для клетки приносит и регуляция экспрессии генов на других уровнях: трансляционном и посттрансляционном, которые только в совокупности способны обеспечивать поддержание жизненно важного гомеостаза организма.

Это краткое резюме, в котором перечислены основные пути регуляции экспрессии генов на качественном уровне, подразумевает количественные изменения внутриклеточного содержания белков и РНК, закодированных в геноме живого организма, в ответ на соответствующие регуляторные воздействия.

Представляется весьма желательным построение количественных моделей регуляции активности генов. Такая постановка вопроса особенно актуальна с учетом тех глубоких перестроек фенотипа, которые сопровождают количественные изменения внутриклеточных концентраций продуктов конкретных генов (например в результате нарушения дозовой компенсации), в ряде случаев приводящие к развитию тяжелейших заболеваний (в частности синдрому Дауна).

3. Транскрипция и трансляция

У прокариота и эукариота гены представляют собой последовательности нуклеотидов ДНК. На матрице ДНК происходит транскрипция -- синтез комплементарной РНК.

Вдоль ДНК расположена информационная (еще ее называют матричная) РНК и строит себя по признаку дополнительности (комплементарности). При этом считывается информация не со всего гена, а с так называемой транскрипционной единицы - нужного участка ДНК.
Дальше включается процесс трансляции. Специальными органеллами клеток -- рибосомами. Рибосома, распознает последовательность аминокислот записанных на информационной РНК и, достаточно сложным образом, синтезирует (строит) белки или РНК.

Существуют гены, кодирующие нематричную РНК (например, рРНК, тРНК, малые РНК), которые экспрессируются (транскрибируются), но не транслируются в белки.

Экспрессия генов обеспечивает поддержание структуры и функции клетки, что является основой для дифференциации клеток, морфогенеза, а также универсальной адаптации любого организма к условиям существования. Регуляция генов может также служить в качестве субстрата для эволюционных изменений, поскольку контроль над временем, местом и интенсивностью экспрессии генов может иметь огромное влияние на функции (действие) генов в клетке или в многоклеточном организме

4. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции у прокариот

Регуляция транскрипции в клетках осуществляется на уровне индивидуальных генов, их блоков и даже целых хромосом. Возможность управления многими генами, как правило, обеспечивается наличием у них общих регуляторных последовательностей нуклеотидов, с которыми взаимодействуют однотипные факторы транскрипции. В ответ на действие специфических эффекторов такие факторы приобретают способность с высокой точностью связываться с регуляторными последовательностями генов. Следствием этого является ослабление или усиление транскрипции (репрессия или активация) соответствующих генов.

Три основных этапа транскрипции - инициация, элонгация и терминация, рассмотренные нами выше, используются бактериальными клетками для регуляции синтеза РНК. То же, по-видимому, характерно и для остальных живых организмов. Ниже приведены примеры регуляторных воздействий на транскрипцию.

5. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции у эукариот

Несмотря на то что основные принципы регуляции транскрипции генов у прокариотических и эукариотических организмов остаются неизменными - через специфические взаимодействия белков и нуклеиновых кислот друг с другом, а также между собой, данный процесс у эукариот характеризуется рядом существенных особенностей. Это связано, прежде всего, с необходимостью поддержания координированной экспрессии эукариотических генов в более сложноорганизованной генетической системе. Достаточно вспомнить, что в организме человека гистологически различают, по крайней мере, 100 типов клеток, формирующих его органы и ткани. Для любого типа клеток характерен свой уникальный набор экспрессирующихся генов, которые начинают функционировать во время дифференцировки клеток-предшественников. Кроме того, сам процесс формирования органов и тканей сопровождается пролиферацией строго определенных групп клеток, а также упорядоченным во времени и пространстве перемещением клеток. Все эти особенности жизнедеятельности клеток высших организмов обеспечиваются функционированием их генов.

Гены высших организмов подразделяют по функциональному признаку на две большие группы: "гены домашнего хозяйства" (housekeeping genes) и "гены роскоши" (luxury genes). К первой группе относятся гены, функционирующие повсеместно, на всех стадиях жизненного цикла организма. Они обеспечивают процесс гликолиза, биосинтез аминокислот и нуклеотидов, катаболизм белков и т.п. Гены, относящиеся ко второй группе, экспрессируются лишь в специализированных клетках и являются маркерами дифференцированных состояний этих клеток.

Сложность жизненного цикла многоклеточных организмов накладывает свои требования на особенности функционирования их генов. В частности, большое число генов и даже целые блоки их функционируют лишь на определенных стадиях эмбриогенеза и не транскрибируются в клетках взрослого организма. У человека к ним относятся, например гены -фетопротеина. Экспрессия этих генов в клетках взрослого организма свидетельствует о развитии патологического процесса, в частности злокачественных новообразований в печени. Еще более ярким примером такого рода является избирательная инактивация одной из X-хромосом у самок млекопитающих.

Тканеспецифический характер экспрессии генов роскоши обеспечивается различными механизмами. В этом случае ключевую роль играют специфические взаимодействия белковых факторов транскрипции с регуляторными последовательностями нуклеиновых кислот. Транскрипцию генов высших организмов осуществляют, по крайней мере, три различные РНК-полимеразы. При этом для промоторов каждой из них характерны специфические регуляторные последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют свои факторы транскрипции, изменяющие уровень транскрипции соответствующих генов.

В свою очередь, сами эукариотические факторы транскрипции реализуют новый, известный (в таком масштабе) только у эукариот механизм регуляции экспрессии генов на уровне транскрипции так называемого комбинаторного типа. Молекулы факторов транскрипции обладают консервативными доменами, которые дают им возможность осуществлять высокоспецифические белок-белковые и белково-нуклеиновые взаимодействия. В результате, in vivo происходит объединение факторов транскрипции и других регуляторных белков, обладающих соответствующими доменами, в разных сочетаниях в большие регуляторные комплексы. Каждое новое сочетание факторов, число которых хотя и велико, но ограничено, придает комплексу уникальные регуляторные свойства, обеспечивая изменение специфичности его взаимодействия с регуляторными последовательностями ДНК и другими регуляторными белками аппарата транскрипции. В результате реализации такого механизма достигается беспрецедентная гибкость в модуляции уровней транскрипции эукариотических генов и соответственно в контроле экспрессии фенотипических признаков клетки и организма.

Не менее уникальна способность эукариот использовать для регуляции транскрипции своих генов изменения структуры хроматина. С помощью таких эффективных механизмов осуществляется репрессия и дерепрессия генов во время дифференцировки клеток, и соответствующее функциональное состояние отдельных генов, их больших массивов и даже целых хромосом может поддерживаться на протяжении всей жизни организма. Перестройки хроматина в окрестностях регуляторных участков генов происходят и в связи с более тонкой регуляцией их транскрипции.

Несмотря на то что изменение уровней транскрипции генов является одним из важнейших способов регуляции их экспрессии, такая стратегия - лишь одна из многих, используемых эукариотическими организмами для контроля биосинтеза, содержания и функционирования соответствующих продуктов генов: белков или нуклеиновых кислот. В процессе синтеза и после его завершения первичный транскрипт подвергается многочисленным посттранскрипционным модификациям и процессингу. Таким образом, генетической информации, заключенной в конкретном гене, недостаточно для полноценной экспрессии, и чтобы ген правильно функционировал, требуется координированная работа дополнительных генов, многие из которых активны не вблизи регулируемых генов, а в других тканях, удаленных от клеток-мишеней. Для осуществления такой передачи регуляторных сигналов на большие расстояния в организме присутствуют специальные системы, осуществляющие генерацию сигналов, перенос их к клеткам-мишеням, а также специфическое распознавание сигналов клетками, которым они адресованы.

6. Гормональная регуляция экспрессии генов

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 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. Гормоны связываются с особыми белками рецепторами, образуя с ними комплекс. Активированный гормоном рецептор приобретает способность узнавать определенные последовательности ДНК, в результате ген инактивируется.

Например: влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-репрессора.

Установлено, что одно лишь присутствие гена Y-хромосомы, который определяет дифференцировку половых желез по мужскому типу и синтез гормона тестостерона, не способно обеспечивать развитие организма мужского типа. Для этого необходим также белок-рецептор, обеспечивающий проникновение гормона в клетки тканей-мишеней. 3а синтез такого белка отвечает особый ген, расположенный в другой хромосоме. Его мутация, нарушающая образование нормального белка-фермента, делает ткани-мишени невосприимчивыми к гормону, направляющему их развитие по мужскому типу. В результате гормон не проникает в клетку-мишень и не включается определенный набор генов. Не использовав такую возможность на определенном этапе онтогенеза, организм осуществляет развитие по женскому типу. В результате появляется особь с кариотипом ХY, но внешне более сходная с женщиной. Такие люди не способны иметь потомство, так как половые железы (семенники) недоразвиты, а их выводные протоки часто формируются по женскому пути (недоразвитая матка, наличие влагалища). Т. о., вторичные половые признаки формируются такие же, как и у женщины. Эта патология называется тестикулярная феминизация или синдром Морриса

7. Регуляция после транскрипции

МикроРНК -- это короткие (18--25 нуклеотидов) последовательности односпиральной РНК, вызывают подавление экспрессии генов. МикроРНК связываются со своей мишенью -- информационной РНК -- по принципу комплементарности . Это вызывает подавление синтеза белка или деградацию информационной РНК.

МикроРНК могут иметь большую или меньшую специфичность благодаря большей или меньшей доле комплементарных своей мишени азотистых оснований. Низкая специфичность позволяет одной микроРНК подавлять экспрессию сотен разных генов.

8. Моноаллельная экспрессия генов

Диплоидные организмы имеют две копии каждого гена в геноме по одному от каждого родителя. Экспрессия обоих унаследованных генов иногда обнаруживает склонность к эффекту. наз. моноаллельной экспрессией, которая делает организм (или клетки внутри него) функционально гемизиготными. примеры моноаллельной генной экспрессии распределяются на три категории. Во-первых, это геномный импринтинг, эпигенетическая модификация матерински- и отцовски-наследуемых аллелей, которая ведет к дифференциальной экспрессии зависимым от родительского происхождения способом. Во-вторых, это случайная моноаллельная экспрессия, например в результате инактивации Х хромосомы в женских клетках плацентарных млекопитающих. Этот феномен, как полагали, ограничен генами на Х хромосоме и некоторыми аутосомными генами со специфическими функциями, напр., генов обонятельных рецепторов и T-клеточных рецепторов. Но недавние исследования показали, что это происходит широко по всем аутосомным генам диплоидных организмов. Третья категория это доминантно/рецессивные взаимодействия, которые мы описываем в генах детерминантах пыльцы Brassica само-несовместимости. В этом случае моноаллельная экспрессия предопределяется с помощью доминантно/рецессивных взаимоотношений между двумя аллелями, а у гетерозигот, несущих эти два аллеля, рецессивный аллель всегда супрессируется независимо от родительского источника.

Предполагается, что для моноаллельной экспрессии важны эпигенетические модифкации, такие как метилирование ДНК и модификации гистонов. Более того, мы установили, что взаимоотношения доминантности между аллелями само-несовместимости Brassicaэпигенетически контролируются с помощью рецессивного аллель-специфичного метилирования, которые индуцируется с помощью малой РНК, происходящей из доминантного аллеля.

Моноаллельная экспрессия у эукариот характерна:

для генов Х-хромосомы в женских клетках из-за механизма дозовой компенсации;

для импринтируемых генов;

В настоящее время известно, что около 5--10 % генов эукариот экспрессируются в клетках моноаллельно, среди таких генов чаще наблюдаются гены, кодирующие поверхностные клеточные белки и, в частности, гены, кодирующие иммуноглобулины, Т-клеточные и обонятельные рецепторы. Это явление носит также название аллельное исключение. Выбор экспрессирующегося аллеля происходит рано в развитии, и этот выбор осуществляется случайно, в результате около половины клеток организма экспрессируют отцовский аллель, а другая половина клеток -- материнский аллель. Иногда наблюдается тканеспецифичная моноаллельная экспрессия гена, в других тканях такой ген может экспрессироваться биаллельно. К случайной моноаллельной экспрессии аутосомных генов не относят случаи, когда разные аллели гена экспрессируются на различном уровне из-за полиморфизма в cis-регуляторных последовательностях гена

9. Количественный анализ экспрессии генов

Количественный анализ экспрессии генов -- анализ транскриптома, измерение транскрипционной активности гена, с помощью определения количества его продукта, матричной РНК (мРНК), универсальной для большей части генов.

При этом конечный продукт экспрессии генов как правило белки, а не мРНК.

Для измерения количества мРНК разработаны надежные методы: количественная ПЦР в реальном времени (qPCR), применяют для анализа уровня экспрессии нескольких генов; сравнительная геномная гибридизация на чипах (CGH), позволяет видеть количественные изменения экспрессии генов прямо на хромосомах; микрочипы, с их помощью можно получать данные по уровню экспресии большого количества генов; высокопроизводительное параллельное секвенирование РНК (RNA-Seq).

Размещено на Allbest.ru