Archive for ноября 2014
Регуляция действия гена на уровне транскрипции
Введение
Участок ДНК, способный кодировать клеточные белки, называют геном. Ген должен быть доступен РНК-полимеразе – ферменту, осуществляющему на ДНК, как на матрице, полимеризацию рибонуклеозидтрифосфатов (РНТФ) с образованием информационной РНК.
Такой процесс получил название транскрипции. На информационной (матричной) РНК, согласно правилам генетического кода, в результате трансляции на рибосомах образуются белки.
Регуляция транскрипции генов в клетках бактерий
Рассмотрим сначала процесс синтеза информационной РНК в клетках бактерий. Он осуществляется с помощью РНК-полимеразы, состоящей из нескольких отдельных взаимодействующих друг с другом белковых субъединиц: α, β, β’, σ. Последняя из них осуществляет основную реакцию полимеризации рибонуклеотидов, остальные помогают ей. РНК-полимераза присоединяется к определенному участку в начале гена - промотеру. В этом районе начинается синтез РНК. Промоторы генов бактерий имеют определенную нуклеотидную последовательность, “узнаваемую” РНК-полимеразой. Узнавание белками определенных участков ДНК основано на специфичном нековалентном взаимодействии аминокислотных остатков с нуклеотидами.
Субъединица сигма узнает промотер, взаимодействуя в основном с большой бороздкой двунитевой спирали ДНК. Сначала образуется “открытый” комплекс ДНК с РНК-полимеразой, когда двунитевая структура ДНК раскрывается, а затем на одной из нитей ДНК, как на матрице, образуется РНК, последовательность нуклеотидов в которой комплементарна матричной нити ДНК. Синтез РНК заканчивается в определенной точке в конце гена. Участок остановки транскрипции часто представлен такой нуклеотидной последовательностью, где связь рибонуклеотидов с комплементарной матричной нитью ДНК ослаблена. Остановку синтеза РНК в определенной точке могут также осуществлять специальные белки.
Существуют белки, которые препятствуют синтезу РНК или, наоборот, необходимы для активной транскрипции вместе с РНК-полимеразой.
Белки, выключающие гены, называют репрессорами, включающие ген, – активаторами. Механизм действия репрессоров обусловлен их специфичным взаимодействием с участком ДНК, называемым оператором. . Молекулы репрессора, связанные с ДНК, либо мешают “посадке” РНК-полимеразы, либо, взаимодействуя с полимеразой и ДНК, препятствуют началу синтеза РНК.
Регуляция транскрипции в клетках эукариот
В клетках эукариот, по сравнению с бактериями, регуляция транскрипции усложнена. Велико число дополнительных белков, обеспечивающих работу РНК-полимераз. РНК-полимеразы состоят из большого числа белковых субъединиц. РНК-полимеразы эукариот сами по себе не способны узнать промотор, в этом им помогают факторы транскрипции. Наиболее важные из них — TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, и TFIIH. Самое начало транскрипции в значительной степени зависит от химической модификации отдельных субъединиц полимеразы.
Перед участком взаимодействия полимеразы с ДНК (собственно промотор) располагаются короткие нуклеотидные последовательности – “мотивы”, узнаваемые факторами транскрипции. Преимущество такого узнавания состоит в том, что небольшая молекула индуктора или активатора, присоединяясь к одной субъединице, резко ускоряет присоединение второй молекулы к другой субъединице, способствуя тем самым быстрому образованию биологически активного белкового комплекса в ответ на изменение концентрации индуктора/активатора в клетке.
Интересно, что энхансер может превращаться в сайленсер в зависимости от того, какие белки с ним будут взаимодействовать в данной клетке. Клетки разных тканей различаются по набору таких регуляторных белков. Благодаря этому достигается процесс дифференцировки в развитии организма, который приводит к образованию разных типов тканей, различающихся наборами работающих генов. Наличие тех или иных белковых факторов, взаимодействующих с промотором или энхансером, либо сайленсером, будет проявляться в том, что данный ген либо будет активно работать (“экспрессироваться”), либо его активность будет подавлена (“репрессирована”).
Выводы
Регуляция транскрипции достигается также благодаря высокоспецифичным взаимодействиям белковых молекул друг с другом. Тем самым обеспечивается образование активирующего комплекса белков вблизи старта транскрипции или, наоборот, создание структуры, препятствующей транскрипции.В клетках высших организмов присутствует большое количество белковых факторов, участвующих в регуляции транскрипции. Промоторы генов, с которыми эти белки взаимодействуют, сложно устроены.
Пространственные структуры белковых факторов должны быть хорошо “подогнаны” друг к другу, обеспечивая тем самым либо работу гена, либо, наоборот, его выключение.
