Регуляция экспрессии (активности) генов
РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА
В каждой клетке синтезируются специфические белки, и с неодинаковой скоростью. Благодаря регуляции синтеза в конкретных условиях среды образуется лишь необходимое число молекул данного белка. Все соматические клетки многоклеточных организмов содержат в ДНК одинаковую генетическую информацию, однако отличаются друг от друга по составу белков. Так, клетки эритроцитов содержат большое количество гемоглобина, клетки кожи – коллагена, скелетных мышц – актина и миозина, клетки печени содержат ферменты синтеза мочевины, которые отсутствуют у всех других клеток. Таким образом, в клетках каждого типа экспрессируется только часть структурных генов.
Большая часть генома находится в неактивном, репрессированном, состоянии. Спектр функционирующих генов зависит от типа клетки, периода ее жизненного цикла, стадии индивидуального развития организма. У большинства организмов активно транскрибируются только 2-10% генов. Гены, которые транскрибируются постоянно, не подчиняясь каким-либо регуляторным воздействиям, называются конститутивными. Обычно это гены, обеспечивающие синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и др.), а также тРНК и рРНК. Включение и выключение других генов зависит от различных метаболитов, эти гены называются регулируемыми.
Регуляция синтеза белка у эукариот:
1) стойкую репрессию генов вызывает компактная упаковка хроматина, включая взаимодействие с гистонами, образование нуклеосом и хроматиновых фибрилл. В гетерохроматине для транскрипции доступно менее 1% генов, в эухроматине, имеющем более рыхлую укладку, − значительно больше. В разных типах клеток в область эухроматина попадают неодинаковые гены, что обеспечивает стабильную репрессию одних генов и дерепрессию других на протяжении всей жизни клетки.
2) адаптивная регуляция на уровне транскрипции. Вследствие огромной протяженности и сложности эукариотической ДНК специфические регуляторные участки ДНК и взаимодействующие с ними белки-регуляторы весьма многочисленны. Выявлено более 100 различных белков, способных взаимодействовать с регуляторными последовательностями ДНК и тем самым влиять на сборку транскрипционного комплекса и скорость транскрипции. Эти белки содержат ДНК-связывающие домены, отвечавшие за узнавание специфических участков в молекуле ДНК, а также домены, активирующие транскрипцию. Последние связываются с транскрипционными факторами либо с РНК-полимеразой. Регуляторные белки могут иметь в своем составе антирепрессорные домены, которые взаимодействуют с гистонами нуклеосом, освобождая от них участки ДНК. Эти белки могут содержать в себе также домены, связывающие лиганды – индукторы транскрипции (стероидные гормоны, гормоны щитовидной железы, производные витаминов). После связывания лиганда конформация белка изменяется, и он образует участок, узнающий в регуляторной зоне ДНК специфическую последовательность и индуцирующий транскрипцию определенного гена.
3) на многих эукариотических генах, имеющих полиэкзонное строение, после транскрипции и процессинга образуется несколько вариантов зрелой мРНК, когда зкзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в другом. Это приводит к образованию разных мРНК и, соответственно, разных белков с одного первичного транскрипта. Так, в парафолликулярных клетках щитовидной железы в ходе транскрипции гена гормона кальцитонина образуется первичный транскрипт мРНК, который имеет в своем составе шесть экзонов. мРНК кальцитонина образуется путем сплайсинга первых четырех зкзонов. Этот же первичный транскрипт в клетках головного мозга в ходе альтернативного сплайсинга образует другую мРНК, кодирующую белок, не обладающий гормональной активностью.
4) на состав белков клетки оказывает влияние неодинаковая стабильность мРНК. Время жизни эукариотических мРНК составляет от нескольких часов до нескольких дней. Расположенный на 3'-конце фрагмент поли-(А) увеличивает продолжительность жизни молекул мРНК и, соответственно, количество белка.
5) регуляция синтеза белка осуществляется и на уровне трансляции. Разные мРНК имеют неодинаковое сродство к рибосомным субчастицам, поэтому полирибосома может содержать различное количество рибосом. Так определяется соотношение белков в клетке. Наконец, может происходить подавление инициации трансляции всех мРНК клетки (например, при действии теплового шока, стрессах, недостатке железа, вирусной инфекции и т. п.). Стрессовый фактор индуцирует фосфорилирование второго фактора инициации (IF-2), тем самым инактивирует его и, следовательно, трансляцию.
6) ингибирование матричных биосинтезов (синтез ДНК, РНК или белков). Для человека сильнейшим токсином является токсин бледной поганки α-аманитин, который ингибирует РНК-полимеразы. Действие ингибиторов матричных биосинтезов как лекарственных препаратов основано на модификации матриц (ДНК или РНК), белоксинтезирующего аппарата (рибосом), либо на инактивации ферментов. Центральное место среди них принадлежит антибиотикам – разнообразным по химическому строению органическим соединениям, синтезируемым микроорганизмами. Краткие сведения об антибиотиках, ингибирующих матричные синтезы, приведены в таблице.
Антибиотики – ингибируюшие матричные биосинтезы
| Антибиотики | Механизм действия |
| Ингибиторы репликации | |
| Мелфалан | Алкилирует ДНК |
| Ингибиторы репликации и транскрипции | |
| Дауномицин Доксорубицин Актиномицин d | Встраиваются между парами оснований днк, блокируют синтез ДНК и РНК у про- и эукариот |
| Номермицин Новобиоцин | Ингибируют ДНК-топоизомеразу, ответственную за суперспирализацию ДНК |
| Ингибиторы транскрипции | |
| Рифампицин | Связываются с бактериальной РНК-полимеразой |
| Ингибиторы трансляции | |
| Тетрациклины | Ингибируют элонгацию: связываются с 30s субъединицей рибосомы и блокируют присоединение аа-т-РНК в а-центр |
| Левомицетин | Присоединяется к 50s субъединице рибосомы и ингибирует пептидилтрансферазную активность |
| Эритромицин | Присоединяется к 50s субъединице рибосомы и ингибирует транслокацию |
| Стрептомицин | Ингибирует инициацию трансляции. связывается с 50s субъединицей рибосомы, вызывает ошибки в прочтении информации, закодированной в м-РНК |
Эксцизионная репарация.
Эксцизионная репарация включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Здесь принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает не только поврежденный, но и соседние с ним нуклеотиды. Для эксцизионной репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК.
Первым этапом эксцизионной репарации является вырезание аномальных азотистых оснований. Его катализируют группа ДНК-N-гликозилаз - ферменты, расщепляющие гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием. В результате действия ДНК-N-гликозилаз образуется АР-сайт, который атакуется ферментом АР-эндонуклеазой. Она разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте и тем самым создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы, которая последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК. Далее восвобожденное место заполняется соответствующими нуклеотидами при участии ДНК-полимеразы, ориентирующейся на вторую (комплементарную) цепь ДНК. Окончательное сшивание репарированных участков осуществляет ДНК-лигаза.
РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА
В каждой клетке синтезируются специфические белки, и с неодинаковой скоростью. Благодаря регуляции синтеза в конкретных условиях среды образуется лишь необходимое число молекул данного белка. Все соматические клетки многоклеточных организмов содержат в ДНК одинаковую генетическую информацию, однако отличаются друг от друга по составу белков. Так, клетки эритроцитов содержат большое количество гемоглобина, клетки кожи – коллагена, скелетных мышц – актина и миозина, клетки печени содержат ферменты синтеза мочевины, которые отсутствуют у всех других клеток. Таким образом, в клетках каждого типа экспрессируется только часть структурных генов.
Большая часть генома находится в неактивном, репрессированном, состоянии. Спектр функционирующих генов зависит от типа клетки, периода ее жизненного цикла, стадии индивидуального развития организма. У большинства организмов активно транскрибируются только 2-10% генов. Гены, которые транскрибируются постоянно, не подчиняясь каким-либо регуляторным воздействиям, называются конститутивными. Обычно это гены, обеспечивающие синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и др.), а также тРНК и рРНК. Включение и выключение других генов зависит от различных метаболитов, эти гены называются регулируемыми.
Регуляция синтеза белка у эукариот:
1) стойкую репрессию генов вызывает компактная упаковка хроматина, включая взаимодействие с гистонами, образование нуклеосом и хроматиновых фибрилл. В гетерохроматине для транскрипции доступно менее 1% генов, в эухроматине, имеющем более рыхлую укладку, − значительно больше. В разных типах клеток в область эухроматина попадают неодинаковые гены, что обеспечивает стабильную репрессию одних генов и дерепрессию других на протяжении всей жизни клетки.
2) адаптивная регуляция на уровне транскрипции. Вследствие огромной протяженности и сложности эукариотической ДНК специфические регуляторные участки ДНК и взаимодействующие с ними белки-регуляторы весьма многочисленны. Выявлено более 100 различных белков, способных взаимодействовать с регуляторными последовательностями ДНК и тем самым влиять на сборку транскрипционного комплекса и скорость транскрипции. Эти белки содержат ДНК-связывающие домены, отвечавшие за узнавание специфических участков в молекуле ДНК, а также домены, активирующие транскрипцию. Последние связываются с транскрипционными факторами либо с РНК-полимеразой. Регуляторные белки могут иметь в своем составе антирепрессорные домены, которые взаимодействуют с гистонами нуклеосом, освобождая от них участки ДНК. Эти белки могут содержать в себе также домены, связывающие лиганды – индукторы транскрипции (стероидные гормоны, гормоны щитовидной железы, производные витаминов). После связывания лиганда конформация белка изменяется, и он образует участок, узнающий в регуляторной зоне ДНК специфическую последовательность и индуцирующий транскрипцию определенного гена.
3) на многих эукариотических генах, имеющих полиэкзонное строение, после транскрипции и процессинга образуется несколько вариантов зрелой мРНК, когда зкзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в другом. Это приводит к образованию разных мРНК и, соответственно, разных белков с одного первичного транскрипта. Так, в парафолликулярных клетках щитовидной железы в ходе транскрипции гена гормона кальцитонина образуется первичный транскрипт мРНК, который имеет в своем составе шесть экзонов. мРНК кальцитонина образуется путем сплайсинга первых четырех зкзонов. Этот же первичный транскрипт в клетках головного мозга в ходе альтернативного сплайсинга образует другую мРНК, кодирующую белок, не обладающий гормональной активностью.
4) на состав белков клетки оказывает влияние неодинаковая стабильность мРНК. Время жизни эукариотических мРНК составляет от нескольких часов до нескольких дней. Расположенный на 3'-конце фрагмент поли-(А) увеличивает продолжительность жизни молекул мРНК и, соответственно, количество белка.
5) регуляция синтеза белка осуществляется и на уровне трансляции. Разные мРНК имеют неодинаковое сродство к рибосомным субчастицам, поэтому полирибосома может содержать различное количество рибосом. Так определяется соотношение белков в клетке. Наконец, может происходить подавление инициации трансляции всех мРНК клетки (например, при действии теплового шока, стрессах, недостатке железа, вирусной инфекции и т. п.). Стрессовый фактор индуцирует фосфорилирование второго фактора инициации (IF-2), тем самым инактивирует его и, следовательно, трансляцию.
6) ингибирование матричных биосинтезов (синтез ДНК, РНК или белков). Для человека сильнейшим токсином является токсин бледной поганки α-аманитин, который ингибирует РНК-полимеразы. Действие ингибиторов матричных биосинтезов как лекарственных препаратов основано на модификации матриц (ДНК или РНК), белоксинтезирующего аппарата (рибосом), либо на инактивации ферментов. Центральное место среди них принадлежит антибиотикам – разнообразным по химическому строению органическим соединениям, синтезируемым микроорганизмами. Краткие сведения об антибиотиках, ингибирующих матричные синтезы, приведены в таблице.
Антибиотики – ингибируюшие матричные биосинтезы
| Антибиотики | Механизм действия |
| Ингибиторы репликации | |
| Мелфалан | Алкилирует ДНК |
| Ингибиторы репликации и транскрипции | |
| Дауномицин Доксорубицин Актиномицин d | Встраиваются между парами оснований днк, блокируют синтез ДНК и РНК у про- и эукариот |
| Номермицин Новобиоцин | Ингибируют ДНК-топоизомеразу, ответственную за суперспирализацию ДНК |
| Ингибиторы транскрипции | |
| Рифампицин | Связываются с бактериальной РНК-полимеразой |
| Ингибиторы трансляции | |
| Тетрациклины | Ингибируют элонгацию: связываются с 30s субъединицей рибосомы и блокируют присоединение аа-т-РНК в а-центр |
| Левомицетин | Присоединяется к 50s субъединице рибосомы и ингибирует пептидилтрансферазную активность |
| Эритромицин | Присоединяется к 50s субъединице рибосомы и ингибирует транслокацию |
| Стрептомицин | Ингибирует инициацию трансляции. связывается с 50s субъединицей рибосомы, вызывает ошибки в прочтении информации, закодированной в м-РНК |
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ (АКТИВНОСТИ) ГЕНОВ
Экспрессия генов может осуществляться путем регуляции сродства промотора к РНК-полимеразе. Это осуществляется с помощью позитивной и негативной регуляции:
1) позитивная регуляция у прокариот осуществляется с помощью индуктора, в роли которого выступает субстрат (лактоза), который может связывается с белком-репрессором, кодируемым геном-регулятором. В этом случае, РНК-полимераза присоединяется к промотору и, двигаясь вдоль структурных генов, осуществляет синтез мРНК.
Помимо индуктора, позитивная регуляция может осуществяляться с помощью САР и цАМФ. Так, промотор лактозного оперона способен связывать не только РНК-полимеразу, но и особый белок-активатор катаболизма (САР) в комплексе с циклическим АМФ. Присутствие САР и цАМФ вызывает не репрессию, а напротив, активирование транскрипции. Без САР РНК-полимераза не может связаться с промотором и начать транскрипцию. САР, образовав комплекс с цАМФ, активизируется и только после этого присоединяется к своему сайту (САР-участку) на промоторе, многократно (почти в 50 раз) усиливая транскрипцию генов lac-оперона. При этом транскрипция возможна только в присутствии лактозы, когда оператор не блокирован репрессором. В случае присутствия в среде глюкозы, концентрация цАМФ в клетке резко снижается, и не образуется комплекса цАМФ с САР. В результате этого РНК-полимераза не может связаться с промотором и lac-гены не транскрибируются.
2) негативная регуляция для lac-оперона осуществляется с помощью белка-репрессора, который, присоединяясь в гену-оператору, блокирует передвижение РНК-полимеразы вдоль структурных генов. Вследствие этого биосинтез белка не происходит.
Регуляция активности генов у эукариот может осуществляться с помощью участков ДНК, расположенных на значительном (1000 и более пар оснований) расстоянии от промотора. Энхансеры («усилители») – последовательности ДНК, служащие в качестве специфических участков связывания регуляторных белков, активизирующих процесс транскрипции. Сайленсеры («глушители») – участки ДНК, которые, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции. Вероятно, влияние этих элементов на транскрипцию связано с изменением топологии цепей ДНК, в частности с образованием петель, что приближает регуляторные последовательности к промоторам, с которыми они взаимодействуют с помощью белковых факторов.
Механизм образования и виды мутаций
Мутации - непредсказуемые скачкообразные изменения генотипа (генома, хромосом или генов).
Классификации мутаций:
1. По изменению генотипа: генные, хромосомные, геномные.
2. По влиянию на жизнеспособность: летальные, полулетальные, нейтральные.
3. По поведению в гетерозиготе: доминантные и рецессивные.
4. По отношению к генеративному пути: соматические (возникают в обычных клетках тела и не наследуются) и генеративные (в половых клетках, поэтому наследуются).
5. По локализации в клетке: ядерные (в ДНК ядра) и цитоплазматические (в ДНК митохондрий и пластид).
6. По причине, вызывающей мутацию: спонтанные (причина не ясна) и индуцированные (вызываются мутагенами).
Генные (точковые) мутации — связаны с изменением последовательности нуклеотидов в гене. Единица генных мутаций - нуклеотид.
Механизмы генных мутаций:
1. Первый механизм связан с изменением числа нуклеотидов (дупликация, делеция). В связи с тем, что генетический код не имеет знаков препинания, меняется состав всех кодирующих триплетов после места мутации. Это приводит к замене многих аминокислот и синтезу белка с совершенно другой первичной структурой, а значит, и с другими свойствами, что может оказаться губительно для организма.
2. Второй механизм связан с заменой одного нуклеотида на другой. При этом меняется состав только одного триплета, что может привести к изменению только одной аминокислоты в белке (и то не всегда, так как генетический код вырожден). Замена одной аминокислоты не всегда существенно сказывается на изменении свойств белка (особенно, если она по свойствам близка к исходной).
Виды генных мутаций (изменения структурных генов):
1) мутации сдвига рамки считывания – вставка или делеция любого числа пар нуклеотидов, которое не кратно трем. Подобные изменения генерируют бессмысленный кодон в рамке считывания, что вызывает преждевременное завершение биосинтеза белка.
2) транзиция – замена азотистых оснований: пуриновое на пуриновое (А↔Г), пиримидиновое на пиримидиновое (Т↔Ц), при этом изменяется тот кодон, в котором произошла транзиция.
3) трансверсия – замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот (А↔Ц, Г↔Т), изменяется тот кодон, в котором произошла трансверсия.