Регуляция работы генов у прокариот

Регуляция экспрессии генов в развитии.

Экспрессия генов - фундаментальный процесс, лежащий в основе жизнедеятельности организма. Он включает в себя ряд последовательных молекулярных стадий: подготовка матрицы хроматина, транскрипция ДНК, созревание мРНК и формирование рибонуклеопротеиновых частиц, их внутриклеточный транспорт и трансляция на рибосомах. Каждая из указанных стадий контролируется определенным набором факторов - молекулярных машин, которые обычно представлены мультисубъединичными белковыми комплексами. Взаимодействие и согласованное привлечение различных факторов обеспечивает координацию отдельных этапов в единый процесс и точный контроль активности генов.

Основные этапы процесса экспрессии гена. Активность гена контролируется регуляторными элементами, энхансерами (Enh) и инсуляторами (Ins). Инсуляторы формируют домен активной транскрипции на хроматиновой фибрилле. Энхансер привлекает активаторы, которые обеспечивают последующее привлечение коактиваторов на промотор (Pr), модификацию и ремоделирование структуры хроматина и запуск активной транскрипции. Активность гена также определяется его локализацией внутри ядра. РНК-полимераза II синтезирует мРНК, которая формирует рибонуклеопротеиновые частицы (мРНП). мРНП созревают в нуклеоплазме и экспортируются в цитоплазму. Состав мРНП изменяется в цитоплазме, они транспортируются внутри клетки и транслируются.

Регуляция работы генов у прокариот.

Схема регуляции транскрипции у прокариот была предложена Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году на примере лактозного оперона. Группа структурных генов, управляемая одним геном-оператором, образует оперон. В состав оперона входит также небольшой участок ДНК - промотор с инициатором - место первичного прикрепления РНК-полимеразы - фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК. Ген-оператор включает и выключает структурные гены для считывания информации, следовательно, они активны непостоянно. Заканчивается оперон терминатором. Ген-регулятор, находящийся обычнона некотором расстоянии от оперона, постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор. Белок-репрессор обладает способностью блокировать ген-оператор, вступая с ним в химическое соединение, и тогда считывания информации со структурных генов не происходит, т.е. оперон "не работает".

Схема регуляции ранскрипции у прокариот. (Оперон "не работает").

Схема регуляции транскрипции у прокариот. (Оперон "работает").

Если в клетку поступает индуктор, то он связывает белок-репрессор (вступает сним в химическую связь), освобождая ген-оператор. РНК-полимераза разрывает связи между двумя цепочками ДНК оперона, начиная с промоторо, и по принципу комплементарности информация (порядок нуклеотидов) со структурных генов переписывается на и-РНК (полицистронную), которая затем идет в рибосомы, где синтезируются ферменты, разлагающие индуктор. Когда последние молекулы индуктора будут разрушены, освобождается белок-репрессор, который снова блокирует ген-оператор - работа оперона прекращается. Она опять возобновится при поступлении индуктора.

Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор. Например, для лактозного оперона индуктором является лактоза, для фруктозного - фруктоза и т. п.

Эукариотические организмы (и особенно млекопитающие) устроены значительно сложнее прокариотов и нуждаются в более сложном аппарате регуляции. Так, в организме человека имеется более 200 различных типов клеток, существенно различающихся по структуре и функциям. В то же время различными методами исследования ДНК (прежде всего, методом молекулярной гибридизации) доказано, что количество и структура ДНК практически всех клеток организма одинаковы (за исключением лимфоцитов), т.е. все клетки организма содержат один и тот же геном. У высших организмов по сравнению с прокариотическими существенно возрастает содержание ДНК на гаплоидную клетку: с 4,2×10⁶ пар нуклеотидов у Е. coli до 3,3×10⁹ пар нуклеотидов в клетках человека.

Организация хроматина в дифференцированных клетках многоклеточного организма.В клетках млекопитающих наряду с адаптивной регуляцией, обеспечивающей приспособление организма к меняющимся условиям внутренней и внешней среды, существуют механизмы, которые сохраняют стабильную (существующую на протяжении всей жизни клетки и даже многих её генераций) репрессию одних генов и депрессию других. В ядрах дифференцированных клеток хроматин имеет такую укладку, что только небольшое число генов (часто менее 1%) доступно для транскрипции. Различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и недоступна для транскрипции, и участки эухроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу. В разных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены, а это означает, что в разных тканях транскрибируются разные участки хроматина.

Стойкая репрессия генов гетерохроматинаобеспечивается:

· пространственной укладкой ДНК, при которой гетерохроматин находится в высококонденсированном состоянии;

· метилированием дезоксицитидина ДНК-метилазами в 5'-CG-3' последовательностях ДНК. Эта модификация сильно меняет конформацию хроматина и препятствует активной транскрипции;

· связыванием с гистонами и образованием нуклеосом, которые также снижают транскрипционную активность ДНК.

Исследования показали, что области эухроматина,в которых расположены активно транскрибируемые гены, обладают некоторыми структурными особенностями:

· они более чувствительны к действию ДНК-аз, чем остальные участки ДНК;

· молекулы гистонов, связанные с ДНК в этих участках, модифицированы: е-аминогруппа лизина метилирована или ацетилирована; метилированы некоторые остатки аргинина и гистидина в гистонах Н2А и Н2В, являющихся коревыми белками нуклеосом. Некоторые молекулы Н2А образуют прочный комплекс с белком убиквитином. В гистоне HI фосфорилируются остатки серина. Результат этой серии ковалентных модификаций - снижение суммарного, положительного заряда гистонов и ослабление сродства нуклеосом к ДНК.

· к областям "активного" хроматина присоединяется группа негистоновых HMG-белков, или белков с высокой подвижностью при гель-электрофорезе. Эти белки содержат много положительно заряженных аминокислотных остатков, связывание с которыми ослабляет взаимодействие ДНК и гистонов и вызывает дополнительное повышение транскрипционной активности генов.

Разнообразие клеток и возросшая сложность клеточных процессов нуждаются в большом разнообразии механизмов регуляции. Показано, что разный набор и количество белков в эукариотических клетках может регулироваться:

· изменением количества структурных генов;

· перестройкой генов в хромосомах;

· эффективностью транскрипции разных участков генома;

· характером посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов;

· на уровне трансляции;

· с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.

Поиск по сайту: