10 клас Регуляція експресії генів

Регуляція експресії генів

Відмінності в роботі генів призводять до відмінностей у наборі білків різних клітин

За оцінками вчених, геном людини містить 22—23 тисячі генів, що кодують білки. Але в окремій клітині, наприклад, клітині серцевого м’яза — кардіоміоциті — лише незначна їх частина є активною. Тобто транскрипція відбувається лише з декількох сотень генів. Про такі гени кажуть, що вони експресуються. Інші є активними лише на стадії ембріонального розвитку, але не експресуються в дорослої людини, деякі активні лише в чоловіків, інші — лише в жінок. Якщо порівняти перелік генів, активних у клітині серцевого м’яза й у клітині печінки, то виявиться, що деякі збігаються. Тобто певні гени експресуються в обох типах клітин і утворюються відповідні білки. Серед них будуть гени білків, що задіяні в біосинтезі білка, отриманні енергії тощо. Все це так звані гени домашнього господарства: вони працюють у всіх клітинах і забезпечують їхні базові життєві функції. Але є гени, які активні лише в окремих типах клітин. Так, у клітинах серцевого м’яза активно експресується ген міозину II, що бере участь у формуванні міофібрил, а в клітинах печінки — ген сироваткового альбуміну, основного білка плазми крові. Відмінності в наборі активних генів у різних типах клітин призводять до різного набору білків у них. Саме відмінності в наборі білків клітин визначають структурну та функціональну різницю між ними (рис. 28.1). Яким же чином організм регулює вибіркову роботу одних генів і «мовчання» інших? Щоб відповісти на це питання, звернемося до молекулярної машини, яка забезпечує транскрипцію генів — РНК-полімерази.

Кардіоміоцити міокарду серця (А) й гепатоцити печінки (Б) мають відмінну структуру та виконують різні функції в організмі

Така несхожість зумовлена різними наборами білків у кожній клітині, які, своєю чергою, залежать від набору генів, що експресуються в клітині.

За активністю розрізняють конститутивні й неконститутивні гени. Конститутивні гени — це гени, що є постійно активними, через те що білки, які ними кодуються, необхідні для постійної клітинної діяльності. Ці гени забезпечують синтез білків, ферментів і не потребують спеціальної регуляції. У багатоклітинних еукаріотів їх ще називають «генами домашнього господарства». Неконститутивні гени — це гени, які стають активними лише тоді, коли білок, який вони кодують, потрібний клітині. Вони регулюються клітиною або організмом і за участі кодованих білків забезпечують диференціацію клітин. Ці гени у клітинах еукаріотів називають «генами розкоші».

Отже, гени — це не тільки ділянки ДНК, що містять певну інформацію, а й система елементів, що забезпечує експресію цієї інформації.

РНК-полімераза — фермент, що забезпечує біосинтез РНК на матриці ДНК

Рис. 28.2. Транскрипція

А. Схема комплексу РНК-полімерази, ДНК і РНК. Б. Молекулярна модель РНК-полімерази в процесі транскрипції.

Основний білок, залучений до транскрипції, — РНК-полімераза. РНК-полімераза утворює нитку РНК за принципом комплементарноеті, лише на місце тиміну ставить урацил. Реалізація принципу комплементарності досягається завдяки тому, що на короткій ділянці, яку займає РНК-полімераза, формується дволанцюговий спіральний комплекс із нитки ДНК та комплементарної нитки наново синтезованої РНК.

Під час транскрипції відбувається синтез РНК лише за одним із ланцюгів ДНК і тільки в одному напрямку². Таким чином, якщо для здійснення реплікації потрібна робота двох ДНК-полімераз (по одній на кожну реплікативну вилку), то для здійснення однонапрямленої транскрипції — лише одної РНК-полімерази.

Розплетена ділянка ДНК у процесі транскрипції не зростає, а лише пересувається разом з РНК-полімеразою. На виході з РНК-полімерази обидві ділянки одноланцюгової ДНК знову об’єднуються одна з одною до дволанцюгового спірального комплексу (рис. 28.2). Зазвичай відбувається зчитування невеличкої (кілька тисяч нуклеотидів) ділянки ДНК. Після цього транскрипція припиняється. РНК-полімераза від’єднується від ДНК, відбувається вивільнення синтезованої молекули РНК. Процес припинення транскрипції регулюється клітиною й здійснюється по-різному для різних типів РНК.

У прокаріотів транскрипція відбувається в цитоплазмі, в еукаріотів — лише в ядрі, як і реплікація (варто згадати про мітохондрії та пластиди). На відміну від реплікації, яка в еукаріотів пов’язана зі суворо визначеним періодом життя клітини, транскрипція тих чи інших ділянок ДНК може відбуватися в різний час. Логічно припустити, що спостерігається певна конкуренція між транскрипцією та реплікацією. Обидва ці процеси можуть відбуватися одночасно. У «боротьбі» перемагає реплікація: якщо реплікативна вилка, що переміщується, стикається з РНК-полімеразою, що рухається їй назустріч, то вона просто скидає останню з ланцюга ДНК. У клітинах, що інтенсивно діляться, а отже, у яких інтенсивно проходить реплікація, транскрипція зазвичай є придушеною. Це характерно для ранніх стадій розвитку ембріонів тварин: перші поділи відбуваються дуже швидко й майже вся ядерна ДНК «зайнята» реплікацією, тож клітинам доводиться обходитися тією РНК, що була синтезована та запасена в яйцеклітині.

Для забезпечення транскрипції, окрім РНК-полімерази, необхідна участь факторів транскрипції

Здавалося б усе, що необхідно для забезпечення транскрипції, — матриця ДНК, РНК-полімераза й суміш рибонуклеотидів. Однак, виявляється, що в живій клітині цього недостатньо для початку транскрипції гену. Для того, щоб РНК-полімераза з’єдналася з промотором гена й розпочала процес транскрипції, потрібні додаткові білки — фактори транскрипції. Вони забезпечують правильну посадку РНК-полімерази на промотор і її наступну активацію. Частина факторів транскрипції наявна в усіх типах клітин і обов’язково бере участь у запуску транскрипції та зв’язується з промоторами всіх генів. Це, так звані, загальні фактори транскрипції. Але інша їх частина з’єднується лише зі специфічними промоторами й запускає експресію лише окремих генів. Ці фактори транскрипції наявні не в усіх клітинах або не в усіх є активними. Саме їхня присутність і буде визначати, які гени експресуватимуться в цьому типі клітин, а які — ні.

Регуляція експресії відбувається завдяки продуктам регуляторних генів і енхансерам

У геномі наявний ряд регуляторних генів, що кодують специфічні білки чи молекули РНК, здатних контролювати експресію інших генів. На противагу їм усі гени, продукти яких не беруть участі в регуляції роботи інших генів, отримали назву структурні гени. В основному це гени білків, тРНК та рРНК.

У прокаріотів найпоширенішим типом регуляторних генів є гени білків-репресорів. Вони зв’язуються з ДНК і блокують приєднання чи функціонування РНК-полімерази. Як правило, репресори експресуються постійно, тому завжди наявні в клітині. Поява певної молекули-індуктора, (наприклад, лактози для молочно кислтх бактерій) призводить до зміни просторової структури репресора, і він втрачає здатність блокувати роботу РНК-полімерази. У такому випадку ген починає експресуватися. Інші гени регуляторів транскрипції кодують білки-активатори. Ці білки зв’язуються з ділянкою біля промотора й прискорюють початок транскрипції. Таким чином ген активніше експресується, а його продукту стає більше в клітині.

Послідовність нуклеотидів у промоторній ділянці гена, наявність у клітині факторів транскрипції та робота регуляторних генів визначають чи відбуватиметься експресія гену. Але в ДНК існують й інші ділянки, розташовані поза геном, із якими зв’язуються регулятори транскрипції. Ці ділянки можуть розміщуватися на достатній відстані від промотора, але, фізично, через продукти регуляторних генів, взаємодіяти з РНК-полімеразою. Такі ділянки називають енхансери¹. Для того, щоб енхансер зміг опинитися поблизу РНК-полімерази, ДНК «вигинається» та формує петлю (рис. 28.3). Подібний спосіб укладки ДНК у складі хромосом дуже розповсюджений серед еукаріотичних організмів, що відображає важливу роль енхансерів у регуляції роботи генів. Цікаво, що енхансери можуть розташовуватися не лише перед чи після гену, але й навіть у інтронах інших генів!

Рис. 28.3. У запуску транскрипції в еукаріотів бере участь багато білків, які взаємодіють із РНК-полімеразою й різними ділянками ДНК

Стероїдні гормони впливають на експресію генів

Розглянемо один із прикладів регуляції роботи еукаріотичних генів — регуляцію експресії стероїдними гормонами. Стероїдні гормони — це група сполук, похідних холестеролу, що виробляються залозами внутрішньої секреції: корою наднирників і статевими залозами. Стероїдні гормони здатні вільно проникати крізь плазматичну мембрану в цитоплазму клітини. Там вони можуть зустріти свій рецептор — білок, який розпізнає гормон і запускає відповідь на нього. Так, рецептор жіночого статевого гормону естрогену знаходиться в цитоплазмі клітини, але після зв’язування переходить у ядро. Там він діє як фактор транскрипції — з’єднується з промоторними областями генів, що знаходяться під контролем естрогену й запускає їх експресію, сприяючи активації РНК-полімерази. Так здійснюється клітинна відповідь на виділення гормону в організмі. У результаті утворюються білки, які визначають, наприклад, вторинні статеві ознаки або статеву поведінку жінки.

Рис. 28.4. Будова і функціонування лактозного оперону

1. РНК-полімераза. 2. Ген білка-репресора. 3. мРНК білка-репресора. 4. мРНК трьох ферментів травлення лактози. 5. Білок-репресор. 6. Лактоза. 7. Неактивний білок-репресор. 8. Ферменти засвоєння лактози.

Зверніть увагу, що білок-репресор може заблокувати доступ РНК-полімерази до генів ферментів тільки за відсутності лактози в клітині.

Регуляція активністі генів в еукаріотичній клітині

Клітини будь-якого еукаріотичного організму містять однакову генетичну інформацію, але під час їхнього розвитку вона реалізується вибірково. Одночасно усі гени, що є в геномі клітин, ніколи не «працюють», тобто активними усі гени водночас ніколи не бувають. Які ж механізми забезпечують регуляцію активності генів в еукаріотичних клітинах?

Регуляція активності генів згідно з концепцією оперона характерна лише для генів, розташованих у мітохондріях й пластидах. Система регуляції ядерних генів є набагато складнішою й різноманітнішою.

Наявність ядра й нуклеосомної організації хроматину суттєво розширяє можливості регуляції. У еукаріотичних клітинах експресія генів регулюється на кожному з етапів — на рівні транскрипції, процесингу РНК, експорту РНК, трансляції й посттрансляційної модифікації білків. Найбільш універсальними епігенетичними механізмами регуляції є такі.

Регуляція за участі малих РНК. РНК-інтерференція — механізм регуляції, що здійснюється за допомогою малих (20—25 нуклеотидів) молекул РНК. Основними молекулами є маленькі ядерні РНК (мяРНК) та мікроРНК (мкРНК), які вже після транскрипції можуть вступати у взаємодію із комплементарними послідовностями іРНК та змінювати їхню активність.

Регуляція шляхом метилювання. Це найбільш досліджений механізм регуляції, пов'язаний із приєднанням метильної групи (СН₃) до цитозину в складі нуклеотидів ДНК, що зазвичай пригнічує активність генів на рівні транскрипції.

Регуляція на рівні хроматину. Це найбільш універсальний спосіб регуляції за допомогою зміни стану хроматину впродовж життя клітини. Деконденсований еухроматин створює можливості для зчитування інформації з генів, а ущільнений конденсований гетерохроматин — блокує.

Отже, для еукаріотичних клітин характерні складні й різноманітні молекулярні епіегенетичні механізми, що змінюють активність генів і не зачіпають первинної структури ДНК.