Регуляция генетической активности (транскрипции, экспрессии генов)

Для прокариот типичен полицистронный, а для эукариот моноци-стронный формат транскрипции или экспрессии генов (см. п. 2.4.5.6-б), что заставляет предполагать разные механизмы регуляции генетической активности у представителей подимперий доядерных и ядерных организмов (см. п. 1.9). Известно также, что в геномах прокариот преобладают гены, контролирующие индуцибильные белковые синтезы, тогда как в геномах эукариот большинство генов связаны с конститутивными белковыми синтезами (см. п. 2.4.5.5). Механизмы регуляции транскрипции названных категорий генов различаются.

Есть негативный (отрицательный) и позитивный (положительный) варианты регуляции активности индуцибильных генов (в общем виде,

регуляция транскрипции у прокариот). В случае негативного варианта связывание регуляторного белка с оператором блокирует работу оперо-на, а в случае позитивного варианта указанное связывание эту работу активирует. В качестве примера рассмотрим регуляцию активности генов (цистронов) лактозного оперона бактерии кишечной палочки (см. п. 2.4.5.6-б). Названный оперон (рис. 2.37) включает 3 цистрона или структурных гена Z, Y и A (экспрессируемые белки: β-галактозидаза, β-галактозидпермеаза и трансацетилаза), транскрибируемые на одну поли(3-х)цистронную и(м)РНК по сигналу с одного промотора. В зоне промотора находится регуляторная нуклеотидная последовательность, обозначаемая как ген-оператор. Пространственно вне связи с лак-тозным опероном находится еще одна регуляторная нуклеотидная последовательность, обозначаемая как ген-регулятор. Этот ген имеет собственный промотор и точку терминации транскрипции. Благодаря гену-регулятору в микробной клетке образуется белок-репрессор, который в отсутствие в среде лактозы, взаимодействуя с геном-оператором и блокируя, тем самым, продвижение к структурным генам РНК-полимеразы, выключает из функции лактозный оперон (негативный вариант регуляции). Выживание микроорганизмов в этом случае обеспечивается метаболизмом глюкозы. При появлении в среде молочного сахара, он, играя роль индуктора и взаимодействуя с белком-репрессором, препятствует соединению последнего с геном-оператором, снимая блокирующее действие. Оперон переходит в функционально активное состояние и структурные гены обмена лактозы транскрибируются. При существенном обеднении среды глюкозой, но при наличии таких сахаров, как лактоза, галактоза и арабиноза срабатывает позитивный вариант регуляции. Включается особый белок-активатор или БАК (англ. CAP catabolite activator protein). Этот белок при наличии цАМФ взаимодействует с промоторами оперонов, ответственных за утилизацию в качестве альтернативных глюкозе источников энергии и углерода перечисленных выше сахаров, и, увеличивая сродство к РНК-полимеразе, активирует транскрипцию.

В геномах эукариот к категории генов, контролирующих индуци-бельные белковые синтезы, относятся, в частности, запускаемые стероидными половыми гормонами. Регуляторно-активирующее действие в данном случае состоит в изменении функциональных характеристик внутриклеточных транскрипционных факторов, находящихся в отсутствие гормона в репрессированном состоянии и лишенных, таким образом, возможности соединиться со специфическими сайтами ДНК и

а

Рис. 2.37. Негативный и позитивный варианты регуляции транскрипции лак-тозного оперона кишечной палочки: а — в среде есть глюкоза, нет лактозы, лак-тозный оперон не транскрибируется; б — в среде снижен уровень глюкозы, есть лактоза, уровень цАМФ низкий; в — в среде нет глюкозы, в среде есть лактоза, галактоза и/или арабиноза, уровень цАМФ высокий; CAP — белок-активатор, Р — промотор, R — репрессор, I — индуктор (лактоза)

открыть их для транскрипции (см. п. 2.4.3.1 и рис. 2.9). В приведенном примере речь идет о позитивном варианте регуляции генетической активности. У эукариот описан также негативный вариант контроля транскрипции индуцибельных генов (см. здесь же, выше).

Регуляция транскрипции большинства генов эукариот, у которых преобладают конститутивные белковые синтезы, отличается разно-

образием механизмов и конкретных участников. Свою специфику в проблему регуляции генетической активности вносит многоуровневая структура аппарата наследственности эукариот (см. п. 4.3). В первом приближении механизмы регуляции генетических функций эукариоти-ческого генома делят на неспецифические и специфические.

К неспецифическим механизмам относят, прежде всего, те, в которых ведущая роль принадлежит изменениям плотности упаковки материала хромосом, феномену «компактизации-декомпактизации» этого материала, в частности, его гетерохроматизации. В качестве примера приводят хорошо известный еще классической (домолекулярной) генетике факт подавления генетических функций сайтов, находящихся рядом с гетерохроматизированными участками хромосом — «эффект положения» (см. п. 2.4.3.4-г — ингибирующий эффект теломерной ДНК, ослабевающий или снимаемый по мере укорочения теломер). Существование в эукариотическом геноме ДНК обязательно в виде нуклеогистонового комплекса, а также нуклеосомный принцип структурной организации этого комплекса может также рассматриваться, правда, с некоторыми оговорками (см. здесь же, ниже), как один из неспецифических механизмов регуляции генетической функции

ДНК.

Механизмы специфической регуляции генетической активности на уровне ДНК связывают с наличием в транскриптоне (см. п. 2.4.5.5) 5‘-нетранслируемой области, особенностями структуры промоторов, наличием таких регуляторных сайтов, как энхансеры (усилители транскрипции, англ. enhance — увеличивать, усиливать) и сайленсеры (ослабители транскрипции, англ. silense — заглушать).

Значительное место в регуляции транскрипции у эукариот молекулярная биология отводит регуляторным белкам с общим названием транскрипционные факторы. Принципиальная черта последних заключается в их способности узнавать и связываться с определенными сайтами ДНК. Выделяют группу общих транскрипционных факторов и группу специфических транскрипционных факторов. Первые, как это вытекает из исследований регуляции транскрипции гена альбумина (ALB) в клетках печени млекопитающих, являются обязательными участниками мультигетеробелкового комплекса, образуемого в связи с «ТАТА»-последовательностью промотора, необходимого для функционирования РНК-полимеразы II и, следовательно, запуска транскрипции. Другие транскрипционные факторы из этой же группы, образуя комплекс с последовательностью «ЦААТ» промотора, влияют

на эффективность транскрипции. В области промотора названного гена есть знаковые сервисные и конценсусные нуклеотидные последовательности (PE, DEI, DEII и DEIII), связывающие специфические транскрипционные факторы. Так, последовательность РЕ, у мыши длиной 13 п.н., взаимодействует с тканеспецифическим белком печени HNF1. Функции специфических транскрипционных факторов состоят в активации промоторов различных генов.

Молекулы разных транскрипционных факторов различаются структурными особенностями (мотивами). На основании этих особенностей их группируют в семейства: белки «спираль-поворот-спираль», гомео-доменные белки, белки типа «лейциновой застежки-молнии» и «цинковые пальцы».

Важная роль в осуществлении транскрипционными факторами их функций принадлежит ядерному матриксу (см. п. 2.4.3.2). Есть данные о том, что транскрипционные факторы во взаимодействии с ядерным ма-триксом обеспечивают должное пространственное расположение промоторов генов и энхансерных участков.

В связи с проблемой регуляции транскрипции нельзя не назвать такой механизм, как химическая модификация ДНК, в частности, ее метилирование (обычно по 5-му углероду цитозинов). Присоединение метильных групп, с одной стороны, препятствует взаимодействию транскрипционных факторов с ДНК, а с другой — метилированные участки ДНК приобретают способность взаимодействовать с белками транскрипционными репрессорами. Метилирование цитозинов ДНК всегда ведет к подавлению генетической активности. К примеру, почти все гены инактивированной хромосомы Х (см. п. 2.4.3.4-в — тельце полового хроматина) в клетках женщин метилированы.

Многие стороны процесса регуляции генетической активности у эу-кариот далеки от понимания, что объективно создает трудности в описании конкретных механизмов.

Регуляция экспрессии генов осуществляется также на трансляционном и пост(после)трансляционном уровнях, в частности, путем изменения «времени жизни» зрелых и(м)РНК (см. п. 2.4.5.6-а).

Оцените статью
yamedik
Добавить комментарий