Регуляція експресії генів в еукаріотичній клітині.

Регуляція активності генів — складна сукупність молекулярних механізмів, завдяки яким клітини можуть збільшувати або зменшувати кількість функціональних продуктів експресії певних генів у відповідь на зміну зовнішніх умов.

Життя будь-якої клітини визначається сукупністю її генів. Завдяки генам здійснюється будь-який прояв та будь-які зміни життєдіяльності на впливи чинників середовища. Клітина живе в змінних умовах середовища і має реагувати на ці впливи змінами своїх біохімічних процесів. Саме регуляція активності генів і забезпечує цю мінливість клітин без змін генотипу. А це, в свою чергу, зумовлює гнучкість властивостей живих систем і можливість пристосування до зміни умов середовища. Існує навіть наука про такі механізми — епігенетика.

Епігенетика — наука, що вивчає зміни експресії генів, що зумовлені механізмами не пов'язаними зі змінами послідовності нуклеотидів ДНК.

Такі зміни можуть залишатися видимими впродовж декількох клітинних поколінь або навіть кількох поколінь живих організмів. Якщо генетика вивчає процеси, що ведуть до змін у генах організмів, то епігенетика досліджує зміни активності генів, за яких структура ДНК залишається незмінною. Епігенетика вивчає процеси, що активують або пригнічують активність генів у відповідь на приймання їжі, фізичне навантаження, стрес тощо.

Дайте визначення терміну "епігенетика". Чим вона відрізняється від класичної генетики?

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.

Зверни увагу!

Регуляція активності генів згідно з концепцією оперона характерна лише для генів, розташованих у мітохондріях і пластидах.

Система регуляції ядерних генів є набагато складнішою та різноманітнішою. На різних рівнях реалізації спадкової інформації можливі наступні види регуляції активності генів:

• на рівні хроматину;

• під час транскрипції; під час дозрівання та транспорту РНК;

• під час трансляції;

• після завершення трансляції (пост-трансляційна модифікація);

• за участі малих РНК.

Регуляція на рівні хроматину — може здійснюватися двома способами — структурним і хімічним. Структурна регуляція здійснюється за рахунок пакування певних ділянок ДНК за допомогою білків таким чином, щоб із них не можна було зчитати спадкову інформацію. Так, на хромосомах розрізняють гетерохроматинові (щільно упаковані) та еухроматинові (не щільно упаковані) ділянки. На еухроматинових ділянках транскипція можлива, а на гетерохроматинових — ні. На еухроматинових ділянках згрупована більша кількість кодуючих генів.

Регуляція роботи генів на рівні хроматину

Хімічна регуляція відбувається за рахунок модифікації деяких нуклеотидів у ланцюжках ДНК. Якщо до них приєднується метильний радикал ( −CH3), то зчитування інформації з такої ділянки ДНК стає неможливим. Ще одним способом хімічної регуляції є ацетилювання білків - гістонів, навколо яких намотуються нитки ДНК в хромосомах. Наявність у них додаткової ацетильної групи також робить неможливим зчитування інформації з ділянки.

Регуляція на рівні транскрипції відбувається внаслідок взаємодії продуктів регуляторних генів (зазвичай білків) з певними структурами генів: промотором або регуляторними ділянками. Це дозволяє змінювати швидкість роботи генів або «вмикати» чи «вимикати» їх.

Регуляція під час дозрівання РНК та трансляції — після транскрипції відбувається процесинг (дозрівання РНК). Він відбувається в ядрі клітини, коли видаляються інтрони, а екзони комбінуються і з'єднуються один з одним. Під час процесингу відбуваються процеси вирізання інтронів, «зшивання» екзонів (сплайсинг) та додавання певних структур до початку і кінця молекули РНК.

Для більшості генів є можливим альтернативний сплайсинг — отримання кількох можливих варіантів РНК із синтезованої в ході транскрипції молекули. Регуляція під час трансляції відбувається переважно на етапі ініціації. В цей момент різні фактори можуть приєднуватися до мРНК і блокувати синтез білкової молекули, або, навпаки, розпочинати його.

Пост-трансляційна регуляція — це зміна білкової молекули після її утворення в процесі трансляції. Її здійснюють спеціальні білки. Наприклад, білки-шаперони формують просторову будову білка, модифікуючи його вторинну і третинну структури. Інші білки можуть додавати до молекули складних білків небілкову частину (наприклад, гем у молекулі гемоглобіну).

Продуктивність трансляції може контролюватися специфічними білками, які в цитоплазмі зв’язуються з мРНК, утворюючи нуклеопротеїнові комплекси — інформосоми.

Регуляція за участі малих РНК (РНК-інтерференція) — механізм регуляції, що здійснюється за допомогою малих (20 — 25 нуклеотидів) молекул РНК.

Поширеним механізмом регуляції трансляції шляхом впливу на тривалість життя молекул мРНК є РНК-інтерференція. Якщо відбувається надлишкова транскрипція якогось гена, то починається синтез комплементарного ланцюга РНК на молекулі мРНК. Двониткова РНК розпізнається специфічним ферментом і нарізається на невеликі двониткові фрагменти з 20—30 нуклеотидних пар. Після денатурації фрагментів нитки комплементарного ланцюга РНК зв’язуються з мРНК і запускають трансляцію наново.

Основними молекулами є маленькі ядерні РНК (мяРНК) та мікроРНК (мкРНК), які вже після транскрипції можуть вступати у взаємодію із комплементарними послідовностям іРНК та змінювати їхню активність.

Схема мРНК-інтерференції: 1 — синтез комплементарного ланцюга РНК; 2 — розрізання дволанцюгової РНК на фрагменти; 3 — денатурація фрагментів; 4 — приєднання антисенсорного фрагмента до мРНК

Активність генів в еукаріотичних клітинах.

У клітинах еукаріотичних організмів кількість структурних (білкових) генів може досягати декількох десятків тисяч.

В еукаріотичних клітинах активні приблизно 15 % усіх генів.У багатоклітинних організмів у різних типах клітин експресуються різні набори генів: гени, активні в клітинах одного типу, можуть бути неактивними в клітинах іншого. Це є наслідком диференціації клітин в онтогенезі. Саме активність відповідних генів визначає характерні риси і роль, яку певні клітини виконують в організмі.

Експресія генів регулюється на будь-якому етапі реалізації генетичної інформації: на рівні транскрипції відповідного гена, дозрівання мРНК, регуляції тривалості життя мРНК, на рівні трансляції та функціонування кінцевого продукту в результаті його модифікацій. На сьогодні найкраще вивчено механізми регуляції транскрипції. Є два основні механізми, які дають змогу контролювати ефективність цього процесу: використання додаткових білкових факторів транскрипції та зміни упакування хроматину.

Фактори транскрипції (транскрипційні фактори) — білкові молекули, які контролюють процес транскрипції (синтезу мРНК на матриці ДНК), зв’язуючись зі специфічними ділянками молекули ДНК. Свої функції активатора або пригнічувача (репресора) вони виконують самостійно або в комплексі з іншими білками.

Регуляція експресії генів за допомогою білкових факторів. Додаткові транскрипційні фактори — це велика родина білків, які регулюють експресію генів, зв’язуючись із короткими регуляторними послідовностями молекул ДНК . Додаткові транскрипційні фактори впізнають регуляторні послідовності ДНК, розташовані або близько від промотора, або на відстані кількох тисяч нуклеотидів від гена, активність якого регулюється. Вони можуть або активувати, або знижувати експресію цього гена.

Транскрипційні фактори впізнають регуляторні елементи і, взаємодіючи з РНК-полімеразою, підсилюють чи послаблюють роботу гена

Вплив упакування хроматину на ефективність транскрипції еукаріотичних генів.

Гістони у транскрипційно неактивному хроматині є метильованими, а в активному вони ацетильовані. Модифікації ДНК стосуються метилування амінокислоти цитозину, що займає певне положення в регуляторних ділянках деяких генів.

Мал. Хімічні модифікації гістонів (червоним позначено залишки етанової (оцтової) кислоти, зеленим — метильні групи) та ДНК у транскрипційно активному й неактивному хроматині

Метилування — введення до складу органічної сполуки метильної групи (—СН₃) замість атому Гідрогену (або металу чи галогену).

Ацетилування — заміщення в молекулах органічних сполук атомів Гідрогену залишком етанової (оцтової) кислоти (ацетильною групою —CH₃CO).

Метильні групи гістонів є сигналами для білків, які збезпечують подальшу конденсацію хроматину (перехід його у стан гетерохроматину). Інколи цей процес буває необоротним і гени вимикаються назавжди.