Регуляция экспрессии генов

У многоклеточных организмов дифференцировка клеток, характерный клеточный метаболизм, прохождение определенных этапов развития происходит в результате экспрессии (от лаг. expressio — выражаю) разных генов одного и того же генома (дифференциальной экспрессии генов). Дифференциальная экспрессия генов обеспечивает синтез определенного набора структурных, ферментных и регуляторных белков. Спектр (набор) этих белков, синтез и активность которых регулируется эндогенными и экзогенными сигналами, в конечном счете определяет течение всех процессов в растительном организме. Обычно в клетке в каждый момент функционируют лишь 5% генов, а 95% находятся в неактивном состоянии.

Так, если в растительной клетке синтезируется лигнин и откладывается в клеточной стенке, то такая клетка превращается в клетку механической ткани или в элемент сосуда ксилемы. Для образования лигнина необходимы определенные ферменты. Если гены, ответственные за синтез этих ферментов, будут активны, то ферменты и, следовательно, лигнин образуются. Если в какой-нибудь клетке в результате активирования генов, например под действием света, образуются ферменты, необходимые для синтеза хлорофилла, то клетка зеленеет, и в ней будет идти фотосинтез. Если эти ферменты не образуются, то незеленая клетка будет выполнять другие функции.

Экспрессия генов про- и эукариот регулируется на уровне транскрипции. Помимо этого, регуляция может осуществляться на посттранскрипционном уровне: на этапе процессинга и сплайсинга пре-мРНК, трансляции и созревания белка, а также па уровне его стабильности.

Регуляция транскрипции у прокариот

Для начала транскрипции РНК-полимераза должна присоединиться к промотору. Работа промотора регулируется специальными белками- регуляторами:, которые, связываясь с определенными участками ДНК, либо мешают, либо помогают РНК-полимеразе начать транскрипцию. Эти белки называют сайт-специфическими ДНК-связывающими белками. Основная функция этих белков состоит во включении или выключении генов. Регуляторные белки, ингибирующие активность промотора и, следовательно, транскрипцию гена, называются репрессорами (от лат. repressor — ограничивающий, сдерживающий), а белки, помогающие РНК- полимеразе начать транскрипцию, — активаторами. У бактерий определенные белки-регуляторы могут функционировать и как репрессоры и как активаторы.

Белков-регуляторов в клетке очень мало: один на 50000 молекул клеточных белков. Каждый из белков-регуляторов узнает определенные последовательности ДНК и связывается с ними. Участки связывания белков-регуляторов с ДНК называются операторами (от позднелат. operator — работник, исполнитель). Обычный размер оператора 8—15 нуклеотидов. Оператор обычно находится между промотором и контролируемыми им структурными генами.

У прокариот регуляторные белки, как правило, связываются со специфическими последовательностями ДНК вблизи сайта инициации транскрипции. Присоединение белка-активатора к оператору облегчает посадку РНК-полимеразы, что приводит к повышению вероятности транскрипции.

В зависимости от вызываемого эффекта говорят о негативной или позитивной регуляции активности промотора. В случае позитивной регуляции для начала транскрипции необходимо присоединение к промотору белка- активатора. При негативной регуляции в результате связывания оператора с репрессором РНК-нолимераза не может двигаться вдоль цепи ДНК и транскрипция структурного гена не происходит. Если оператор не занят репрессором, то РНК-полимераза транскрибирует ген. Когда репрессор отделяется от ДНК, освобождая промотор и позволяя РНК-полимеразе транскрибировать структурный ген, говорят о дерепрессии гена.

На способность репрессора соединиться со своим оператором влияют некоторые низкомолекулярные вещества. Их называют эффекторами. Эффекторами могут быть адениловая кислота, аминокислоты и другие вещества. Эффекторы называются индукторами, если, соединяясь с репрессором, лишают его способности взаимодействовать с оператором. Эффектор называется корепрессором, если, соединяясь с неактивной формой репрессора, переводит его в активную форму, способную взаимодействовать с оператором, подавляя транскрипцию. Некоторые репрессоры связываются с оператором только в комплексе с корепрессором.

Авторы: Кузнецов Владимир, Дмитриева Галина