Системи проведення зовнішніх сигналів до геному
(сигналінг)
Регуляція активності геному в клітині можлива не лише за допомогою транскрипційних факторів, які виробляються і діють всередині клітини, контролюючи активність власного геному, а й за рахунок зовнішніх факторів, які синтезуються іншими клітинами. Для сприйняття зовнішніх сигналів необхідні спеціальні рецептори, а також провідні системи. за допомогою яких трансформований сигнал доводиться до транскрипційних факторів і активує їх.
Зовнішні сигнали, які впливають на диференціацію, поділяють на дві категорії – хімічні фактори(ліганди) і фізичні фактори (механічні напруження, світло, температура, електромагнітні поля). Зовнішні сигнали змінюють експресію генів у клітині.
При хімічній сигналізації ліганд зв’язується з клітинним рецептором. Ліганд може продукуватись на різній відстані від реагуючої клітини. Якщо відстань між тканиною, продукуючою ліганд і сприймаючою клітиною на багато порядків перевищує клітинний поперечник, то говорять про дистантні взаємодії. В цих випадках ліганд переноситься кров’ю або шляхом дифузії по міжклітинному простору. Приклад дистантних взаємодій – вплив гормонів на клітини-мішені.
При дистантних взаємодіях розрізняють два типи лігандів. Молекули лігандів першого типу завдяки своїй гідрофобності вільно проникають через ліпідні компоненти клітинної мембрани. До них відносять:
- стероїдні гормони (естрогени, кортизон тощо);
- ретиноєву кислоту (важлива роль у диференціації кінцівок);
- окис азоту і активні форми кисню (останнім часом виявляється істотна роль NО в процесах диференціювання, зокрема, він ініціює кальцієві хвилі при заплідненні, в нейрогенезі тощо).
Стероїдні гормони завдяки своїй гідрофобності вільно проникають через ліпідні компоненти клітинної мембрани до цитоплазми, де зв’язуються з внутрішньоклітинними рецепторами стероїдних гормонів. Їх основна функція – зв’язування з молекулами білків-рецепторів, які локалізовані або в цитоплазмі, або в ядрі реагуючої тканини. При відсутності гормонів рецептори неактивні, тому що вони зв’язані з іншим білком – інгібітором. Коли ж відбувається зв’язування молекули гормону з білком-рецептором, комплекс рецептора з інгібітором розпадається, і рецептор починає виконувати функцію транскрипційного фактора.
Гормональна активація гена може відбуватись дуже швидко. Так, у дрозофіли уже через 5-10 хв після ін’єкції стероїдного гормону линьки – екдізону – в політенних хромосомах з’являється 6 нових транскрипційно активних ділянок – пуфів.
Стероїдні гормони індукують синтез всіх видів РНК – не тільки матричної, але і рибосомальної і транспортної, тому вони активують не тільки транскрипцію, але і процеси трансляції. В різних клітинах-мішенях стероїдні гормони індукують різні групи генів, хоча молекули-рецептори до даного гормону у всіх клітинах одні і ті ж. Отже, хроматин різних клітин-мішеней реагує по-різному на зв’язування одного і того ж молекулярного комплексу «гормон-рецептор».
Молекули лігандів другого типу діють по-іншому. Вони в цитоплазму не проникають, а зв’язуються з зовнішньою частиною клітинних рецепторів або з позаклітинними білками. До них відносяться:
– білкові гормони (інсулін, адренокортикотропний гормон, соматотропін, еритропоетин);
– ростові фактори, що стимулюють клітинну проліферацію (фактори росту фібробластів, нервів, пухлинних клітин тощо);
– фактори ембріональної індукції.
У відповідь на зв’язування гормонів з зовнішньою частиною мембранних рецепторів в реагуючій клітині запускається каскад реакцій, в яких можуть приймати участь вторинні посередники (цАМФ, цГМФ або Са2+). В основі передачі сигналу від комплекса гормон-мембранний рецептор до регуляторних білків, що можуть зв’язуватись з ДНК, лежить каскад фосфорилювання: фосфорильований білок стає протеїнкіназою для наступної молекули білка і так далі. В кінці кінців відбувається фосфорилювання неактивних транскрипційних факторів, транспорт їх у ядро та стимуляція транскрипції генів-мішеней. Каскадний процес, в результаті якого відбувається активація генів, називається трансдукцією (передачею) сигналу.
Цис-регуляторний апарат
Клітини еукаріот мають широкі можливості регуляції активності структурних генів. Для цього у них є контролюючі ділянки ДНК – цис-регуляторні послідовності. Окрім промоторів, що розташовані поблизу точки почату транскрипції, існують також більш віддалені (від сотень до декількох тисяч пар основ) регуляторніпослідовності, які підсилюють синтез РНК – енхансери, або пригнічують його – сайленсери. Один структурний ген може мати декілька енхансерів. Це визначається як багатомодульна регуляція. З енхансерами зв’язуються комплекси специфічних транскрипційних факторів, які, в залежності від свого складу, можуть або підсилювати, або пригнічувати активність даного структурного гену. Багатомодульна регуляція і перехід від стимуляції гена до його пригнічення навіть при невеликій зміні складу білкового комплексу сприяє різноманіттю клітинних диференціювань. Вплив енхансера на даний структурний ген здійснюється завдяки вигину ділянки ДНК, розміщеної між ними, в результаті чого комплекс «енхансер-транскрипційні фактори» встановлює безпосередній контакт зі структурним геном. Цис-регуляторні ділянки гена виконують різні функції, але перш за все, вони сприймають і обробляють інформацію, яку створює сукупність всіх транскрипційних факторів, що є в ядрі. На основі цієї інформації відбувається прийняття рішення про активацію чи репресію регулюючого гена.
До процесів, які регулюють активність генів на рівні транскрипції, відноситься також метилювання-деметилювання різних ділянок ДНК по цитозину. Крім звичайного цитозину в ДНК тварин є 5-метилцитозин. Метилювання цитозину здійснює особливий фермент метилтрансфераза. Метилювання цитозинів, які розміщені в промоторній частині, приводить до репресії транскрипції. Наприклад, вміст метилцитозину в генах глобіну еритробластів, де відбувається активна транскрипція цього гену, є незначним, тоді як в інших клітинах, де ген глобіну не експресується, рівень метилцитозину досягає високих значень.
Метилювання блокує, а деметилювання розблоковує активність генів. В ході раннього розвитку зародка відбувається деметилювання ДНК, в результаті чого відбувається активація генів. Пізніше рівень метилювання може знову зрости і бути специфічним для даного типу клітин і сприяти підтримці стійкості диференціації.
Регуляція на рівні транскрипції є одним із основних механізмів контролю клітинної диференціації. Один і той же ген може активуватись не одним, а різними наборами сигналів, як взаємодіють з різними модулями регуляторної ділянки. Крім того, диференціально експресуватись можуть не лише окремі гени, а й цілі блоки генів, при чому їхня активність може бути самопідтримуючою – після однократної активації вони потім спонтанно підтримують свою активність на певному рівні. Цим може бути пояснена висока стійкість диференційованого стану багатьох типів клітин.