Регуляция биосинтеза белка у эукариотов.
Регуляция биосинтеза белка у эукариот на уровне структурной организации генома:
а) Структурная и химическая модификация генома: 1.) Упаковка хроматина (эухроматин-гетерохроматин). 2.) Конформационные переходы вторичной структуры ДНК на отдельных участках. 3.) Химическая модификация белков хроматина (ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, гликозилирование, АДФ-рибозилирование, сумоирование, убиквитинирование). 4.) Метилирование (деметилирование) ДНК.
б) Изменение количества генов: 1.) Амплификация – увеличение копий гена.
| ДНК |
2.) Потеря генетического материала. в) Перестройка генов – обмен фрагментами ДНК между различными генами или объединение генов из разных источников.
Роль упаковки хроматина.В ядрах дифференцированных клеток ДНК упакована очень плотно и недоступна для транскрипции, тогда как в участках эухроматина, имеющего рыхлую упаковку, доступна для РНК-полимеразы. В разных типах клеток в область эухроматина попадают различные гены, транскрибируются различные гены.Конформационные переходы вторичной структуры ДНК на отдельных участках.Переход правозакрученной спирали в левозакрученную на участках, богатых ГЦ, является сигналом для экспрессии некоторых генов.Химическая модификация белков хроматина. Гистоновые и негистоновые белки образуют прочные связи с ДНК, препятствуют использованию ДНК в процессах репликации и транскрипции. Ковалентная модификация изменяет заряд и другие свойства ядерных белков и может уменьшить или увеличить их взаимодействие с ДНК. Например, присоединение остатков уксусной кислоты к аминогруппам лизина (ацетилирование) в гистонах уменьшает положительный заряд этих белков, благодаря чему гистоны отсоединяются от ДНК и может происходить считывание информации. Поэтому ацетилирование гистонов усиливает скорость транскрипции. Метилирование ДНК. ДНК-метилазами остатков цитозина в районах с высоким содержанием цитозина и гуанина. Такие участки локализуются в промоторах. Метилирование приводит к временной инактивации гена и блокировке его транскрипции. Однако конечный биологический результат определяется функцией гена. Если метилируется ген белка-активатора, то торможение определенной функции клетки, если белка-репрессора, то это усиливает определенную функцию. Существует и обратный процесс - деметилирование, но метилирование некоторых генов является необратимым (генов, которые функционируют во время эмбриогенеза, а затем не нужны). Амплификация.Термин обозначает увеличение числа копий определенного гена, которое достигается многократным синтезом участка ДНК в одном и том же репликационном пузыре. В результате амплификации возможна транскрипция одновременно с нескольких копий гена. Как следствие - растёт количество соответствующей мРНК и увеличивается синтез данного белка. Например, при лечении онкологических больных метотрексатом нередко наблюдается устойчивость к данному препарату. Оказывается, происходит амплификация гена дигидрофолатредуктазы - фермента, который является точкой приложения метотрексата. Поэтому, не смотря на высокую дозировку, препарат теряет эффективность. Потеря генетического материала.Редкий способ регуляции, кот проявляется потерей ядра при дозревании эритроцитов или потерей части генетического материала при дозревании лимфоцитов. Перестройка генов.Процессы перемещения генов имеют место в В-лимфоцитах, гены которых кодируют образование иммуноглобулинов.
Перестройка генов (рекомбинации):• Механизм включает разрезание ДНК и включение инородных фрагментов (транспозонов) из другого локуса или хрмосомы.• Способность транспозонов встраиваться в молекулы ДНК определяется наличием на их концах особенных фрагментов – инсерционных последовательностей нуклеотидов.• Обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами во время мейоза – кроссинговер.
Регуляция биосинтеза белка у эукариот на уровне транскрипции: а) Регуляция транскрипции сигналами: 1.) Усилителями транскрипции, их роль выполняют энхансерные регуляторные участки ДНК, усиливающие активность промоторов (энхансеры). 2.) «тушителями» транскрипции – регуляторными участками ДНК, подавляющими активность промотора – сайленсерами. б) Регуляция факторами транскрипции.
Регуляция на уровне транскрипции.РНК-полимераза не может самостоятельно индуцировать транскрипцию. Для ее активации необходимо большое число белков (факторов транскрипции), которые объединяются в комплекс. В комплекс входят 4 группы белков: базальные факторы транскрипции, коактиваторы, активаторы транскрипции и репрессоры транскрипции.
Регуляция сигналами. Энхансер:• генетический регуляторный элемент;• участок ДНК, состоящий из коротких повторяющихся последовательностей нуклеотидов;• способный связываться с регуляторными молекулами (белками);• расположенный на той же молекуле, что и контролируемые гены;• обладающий усиливающим транскрипцию действием, которое не зависит от расположения относительно контролируемого гена;• увеличивает эффективность транскрипции в десятки и сотни раз;• энхансер способен оказывать свое влияние на значительном расстоянии от старта транскрипции;• энхансер является своеобразной матрицей для сборки сложных белковых комплексов, которые обеспечивают высокоспецифичные белок-белковые взаимодействия и передачу регуляторных сигналов РНК-полимеразе, находящейся в составе инициаторного комплекса транскрипции.
Механизмы действия энхансеров:• взаимодействие энхансера с белками может менять конформацию петли ДНК, локально структуру хроматина; • создается возможность непосредственного взаимодействия районов промотора и энхансера, связанного с белками, в результате сгибания молекулы ДНК. Кроме того: • ко-активаторы (прямо не связываются с ДНК, а взаимодействуют с белками, связанными с энхансерами); • белок-белковые взаимодействия между факторами, связанными с энхансерами и компонентами транскрипционного комплекса приводят к образованию больших и мощных транскрипционных комплексов; • белки, связанные с энхансерами, могут влиять на ковалентную модификацию белков транскрипционного комплекса и гистонов, изменяя их активность; • могут изменять структуру хроматина, влияя на компактизацию ДНК; • могут влиять на перемещение подконтрольных им промоторов в такие отделы ядра, где содержатся высокие концентрации факторов транскрипции.
| • район действия энансера ограничивают специальные пограничные элементы, которые назвали инсуляторами, в переводе – изоляторами; • инсуляторы - регуляторные элементы, которые блокируют взаимодействие между энхансером и промотором, если находятся между ними; • этот элемент действует, как нейтральный, т.е. не участвующий в активации или репрессии транскрипции. |
Регуляция факторами транскрипции.Многие факторы транскрипции активируют гены в определенных тканях в ответ на действие специфического фактора, например гормона. Включение фактора транскрипции достигается путем тканеспецифического синтеза соответствующего белкового фактора или регулируемой активации белка-предшественника фактора транскрипции в определенном месте в заданное время. Регуляция биосинтеза белка у эукариот на уровне процессинга мРНК: а) Разрешение или запрещение процессинга. б) Дифференциальный процессинг: - альтернативный сплайсинг; - редактирование мРНК (замена 1 или нескольких азотистых оснований в зрелой мРНК с изменением смысла кодона).
Существуют 2 общих типа контроля процессинга мРНК. Первый тип контроля основан на принятии решения о том, какие именно из первичных транскриптов вообще подлежат процессингу, второй- дифференциальный процессинг. В ядре содержится значительно больший набор первичных транскриптов, чем соответствующих мРНК в цитоплазме. Очевидно, часть транскриптов не подвергается процессингу, но механизм принятия решения, какие именно транскрипты должны созреть, а какие нет, не известен.
Регуляция биосинтеза белка у эукариот на уровне стабильности и активности мРНК: а) Образование информосом: мРНК + белки информатины = мРНК неактивна. б) РНК-интерференция: способ подавления экспрессии генов (сайлесинг) в результате комплементарного соединения малой интерферирующей РНК с иРНК, что индуцирует специфическое разрушение гомологичной иРНК рибонуклеазами. Чем длительнее мРНК в активном состоянии, тем больше молекул белка на ее основе. Процесс образования и распада информосом контролируется гормонами. РНК-интерференция:• защита от вирусов;• контроль активности транспозонов;• регуляция активности генов в процессах развития и дифференцировки.
Регуляция биосинтеза белка у эукариот на уровне трансляции:а) Тотальная репрессия или активация трансляции. б) Избирательная дискриминация мРНК (трансляция только вирусной РНК, РНК-интерференция у млекопитающих). в) Трансляция с альтернативного стартового кодона.
Регуляция биосинтеза белка у эукариот на уровне процессинга белка: а) Регуляция химической модификацией полипептида. б) Регуляция фолдинга.
Элиминация неправильно свернутых белков. Неправильное сворачивание белков – распространенный клеточный феномен. В клетке существует система борьбы с неправильно свернутыми белками. Белки с нарушенной конформацией подвергаются деградации (разрушению). Элиминация таких белков происходит в несколько стадий: 1.) Сумо-лигаза распознает неправильно свернутые белки и присоединяет к ним белки СУМО в виде полимерных цепей. 2.) Сумоилированные белки распознаются убиквитин-лигазой, которая присоединяет к ним полиубиквитиновые цепи. 3.) Последние распознаются протеасомой, внутри которой происходит протеолиз – деградация белка. На деградацию направляются лишь белки, помеченные полимерными цепями СУМО и убиквитина, в то время как присоединение 1 молекулы служит сигналом для направления белка на рефолдинг, либо в определенную часть клетки (адресование), например в ядро, либо влияет на активность белка.
Нарушения фолдинга и деградации белков (конформационные заболевания):• Прионовые заболевания; • Медленные нейро-дегенеративные заболевания (болезни Альцгеймера, Паркинсона, Гетингтона, боковой амиотрофический склероз, спинномозговые атаксии); • Синдром Марфана; • Злокачественные опухоли.
Неправильно свернутые и неэлиминированные белки:• как правило, имеют большие участки с β-складчатой структурой, в которой гидрофобные аминокислоты расположены снаружи, поэтому такие молекулы имеют склонность к прочному слипанию;• образуют нерастворимые отложения в клетках (агресомы);• аргесомы нарушают работу шаперонов, цитоскелета, микротрубочек;• клетка не может функционировать и гибнет.
Изменение фолдинга белка, который называют прионом, лежит в основе вялотекущих заразных губчатых энцефалопатий. Эти заболевания объединяют термином – прионовые. Ген прионового белка имеется у всех млекопитающих.
Прионовые заболевания (губчатые энцефалопатии):1.) Куру (каннибалы племени форе, Новая Гвинея; «хохочущая смерть»); 2.) Скрепи («почесуха» овец); 3.) Губчатая энцефалопатия норок, коров («коровье бешенство»), оленей; 4.) Синдром Крейцфельда – Якоба; 5.) Синдром Герштмана-Штресслера-Шейнкера; 6.) Семейная фатальная бессонница.