Особливості регуляції активності генів у еукаріот
Регуляція генів у еукаріот протікає набагато складніше, ніж у прокаріот. Різні типи клітин багатоклітинного еукаріотичного організму синтезують ряд однакових білків і в той же час вони відрізняються один від одного набором білків, специфічних для клітин даного типу. Рівень продукції залежить від типу клітин, а також від стадії розвитку організму. Регуляція експресії генів здійснюється на рівні клітини і на рівні організму.
Гени еукаріотів діляться на два основних види. перший визначає універсальність клітинних функцій, другий - детермінує (визначає) спеціалізовані клітинні функції. Функції генів першої групи проявляються у всіх клітинах. Для здійснення диференційованих функцій спеціалізовані клітини повинні експресувати певний набір генів.
Хромосоми, гени і Оперон еукаріотів мають ряд структурно-функціональних особливостей, що пояснює складність експресії генів.
1. оперон еукаріотів мають кілька генів - регуляторів, які можуть розташовуватися в різних хромосомах.
2. Структурні гени, які контролюють синтез ферментів одного біохімічного процесу, можуть бути зосереджені в декількох оперон, розташованих не тільки в одній молекулі ДНК, а й в декількох.
3. Складна послідовність молекули ДНК. Є інформативні та неінформативні ділянки, унікальні і багаторазово повторювані інформативні послідовності нуклеотидів.
4. Еукаріотичні гени складаються з екзонів і інтронів, причому дозрівання і-РНК супроводжується вирізанням интронов з відповідних первинних РНК-транскриптів (про-і-РНК), тобто сплайсингом.
5. Процес транскрипції генів залежить від стану хроматину. Локальна компактизація ДНК повністю блокує синтез РНК.
6. Транскрипція в клітині не завжди пов'язана з трансляцією. Синтезована і-РНК може тривалий час зберігатися у вигляді інформосом. Транскрипція і трансляція відбуваються в різних компартментах.
7. Деякі гени еукаріот мають непостійну локалізацію (лабільні гени або транспозони).
8. Методи молекулярної біології виявили гальмівну дію білків-гістонів на синтез і-РНК.
9. У процесі розвитку і диференціювання органів активність генів залежить від гормонів, які циркулюють в організмі і викликають специфічні реакції в певних клітинах. У ссавців важливе значення має дію статевих гормонів.
10. У еукаріот на кожному етапі онтогенезу експресуватися 5-10% генів, інші повинні бути заблоковані.
Альтернативний сплайсинг - процес, що дозволяє одному гену виробляти кілька мРНК і, відповідно, білків. Більшість генів в еукаріотичних геномах містять Екзони і інтрони. Після транскрипції в процесі сплайсингу інтрони видаляються з пре-мРНК. А ось екзон може включатися (чи ні) до складу кінцевого транскрипта. Таким чином, за допомогою альтернативного сплайсингу можна отримати безліч транскриптов, а, отже, і білків.
Існує кілька механізмів альтернативного сплайсингу:
Пропуск екзона або екзонних касети. в цьому випадку екзон може вирізатися з первинного транскрипту або зберігатися в ньому. Це найбільш часто використовуваний механізм у ссавців.
Взаємовиключні Екзони. з двох екзонів в кінцевому транскрипт зберігається тільки один.
Використання альтернативного донорного сайту. є кілька альтернативних 5'-участковсплайсінга (донорних сайтів), що змінює 3'-кордон вишележащего екзона.
Використання альтернативного акцепторного сайту. використовуються різні 3'-участкісплайсінга (акцепторні сайти), що змінює 5'-кордону нижчого екзона.
Утримання інтрона. Інтрон зберігається в послідовності транскрипта. Якщо інтрон знаходиться в кодує послідовності, то він може кодувати стоп-кодон або ж зрушувати рамку зчитування. А це може призвести до втрати функціональності білка, тому даний механізм альтернативного сплайсингу використовується вкрай рідко у ссавців.
Існують разлічниеспособи регуляції альтернативного сплайсингу: РНК-білкові взаємодії, РНК-РНК взаємодії (при взаємовиключних екзонах), взаємодія пре-мРНК з некодуючими РНК, в тому числі малими ЯДЕРЦЕВОГО РНК та ін. Незважаючи на настільки потенційне розмаїття регуляторних механізмів, РНК-білкові взаємодії вважаються основними способами регуляції сплайсингу.
Транскрипція (переписування) - процес синтезу РНК з використанням ДНК в якості матриці, що відбувається у всіх живих клітинах. Іншими словами, це перенесення генетичної інформації з ДНК на РНК.
Розрізняють три етапи транскрипції: ініціацію, Елон-гацію і терминацию.
Ініціація. Послідовність ДНК, транскрібі-ючий в одну іРНК, що починається промотором на 5'-кінці і закінчується термінатором на 3'-кінці, є одиницею транскрипції і відповідає сучас-менному поняттю «ген». Контроль експресії генів може здійснюватися на етапі ініціації транскрипції. На цьому етапі РНК-полімераза розпізнає промотор - фрагмент довжиною 41-44 пар основ Транскрипція ДНК відбувається в напрямі 5-3 ', або зліва направо. Передбачається, що послідовність ТАТА контролює вибір стартового нуклеотиду, а ЦААТ - первинне зв'язування РНК-полімерази з ДНК-матрицею.
Терминация. Транскрипція завершується в специфи-зації ділянці ДНК, що містить терминирующего по-отже. У клітинах Е. сoli виявлено особливий білок (ро-фактор), що підвищує точність термінації. Білок приєднується до 5'-кінця зростаючої іРНК і просуванні-гается по ній, поступово наближаючись до ДНК і як би переслідуючи РНК-полімерази. У момент, коли РНК-полімерних-рази зупиняється в сайті-термінаторі, фермент захоплюється ро-фактором і скидається з ДНК. Термінатор містить особливу послідовність основа-ний, прочитується однаково в обох ланцюгах ДНК, але в протилежних напрямках. Наприклад, 5 'ЦЦА ТГГ 3' 3 'ГГТ АЦЦ 5'
Трансляція - процес синтезу білка з амінокислот на матриці інформаційно (матричної) РНК (іРНК, мРНК), здійснюваний рибосомою.
Процес трансляції поділяють на три стадії: іні-циации, елонгацію і терминацию.
Ініціація. включає всі реакції, що здійснюються до формирова-ня пептидного зв'язку між першими двома амінокислоти-тами. У Е. coli від ініціації транскрипції гена до появле-ня в клітці його іРНК проходить ≈ 2,5 хв, а відповідаю-ного білка - ще ≈ 30с. Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга відбувається в момент формування комплексу між іРНК, 30S субодиницею рибосоми і формілметіоніл-тРНК.
Елонгація: включає всі реакції від моменту утворення першої пептидного зв'язку до приєднання до синтезується поліпептид останньої амінокислоти-ти. У прокаріотів етап елонгації йде дуже швидко; як зазначалося, при 37 ° С в поліпептид за 1 з включається в середньому 15 амінокислот. Отже, якщо виходити з того, що середній розмір гена становить 1000 п.н. синтез кодованого їм білка з 300 амінокислот здійснюється всього за 20с. При цьому в синтезі білка бере участь одночасним-аме до 80% всіх клітинних рибосом. У еукаріот швидкість синтезу білка істотно нижче: за 1 с при 37 ° С в ланцюг включаються лише ≈ 5 амінокислот.
Терминация: трансляції повністю синтезований полі-пептид звільняється від кінцевої тРНК, а рибосоми відходять від іРНК.
Сформувався в ході трансляції поліпептид повністю відповідає (колінеарен) кодує його гену.
Малі ядерні РНК: Виявляються в ядрі, завжди пов'язані з білками, формуючи малі ядерні рібонуклеопротеіновие частки (snurp) .Содержат велика кількість уридину (U1, U2, ... U12). Розмір від 90-300 нуклеотидів. Транскрибируются РНК pol II або РНК pol III. 5'-кінець має тріметілірованний кеп (по N7 і двічі по N2 гуанозіна).
- Беруть участь в процесингу пре-мРНК.
- Розщеплення поліцістронной мРНК.
- Підтримка цілісності теломер.
РНК-інтерференція - процес придушення експресії гена на стадії транскрипції, трансляції, деаденілірованія або деградації мРНК за допомогою малих молекул РНК.
Процеси РНК-інтерференції виявлені в клітинах багатьох еукаріот: у тварин, рослин і грибів. Система РНК-інтерференції грає важливу роль в захисті клітин від вірусів, що паразитують генів (транспозони), а також в регуляції розвитку, диференціювання і експресії генів організму.