Показаны сообщения с ярлыком регуляция. Показать все сообщения
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.
Регуляция действия гена на уровне трансляции и созревания белков
Введение
Существуют три основных способа, как регулировать трансляцию. Первый способ – позитивная регуляция на основе сродства мРНК к инициирующей рибосоме и факторам инициации (дискриминация мРНК). Второй способ – негативная регуляция с помощью белков-репрессоров, которые, связываясь с мРНК, блокируют инициацию (трансляционная репрессия). Этими двумя способами регулируются индивидуальные мРНК, то есть трансляция каждой мРНК может специфически контролироваться независимо от других мРНК клетки. Третий способ – тотальная регуляция трансляции всей совокупности мРНК клетки посредством модификации факторов инициации.
Дискриминация мРНК
Скорость или частота инициации трансляции рибосомами может сильно различаться для разных мРНК. У прокариотических организмов это определяется тем, что инициирующие или рибосомосвязывающие участки разных мРНК имеют разное сродство к рибосомам и, таким образом, с разной эффективностью связывают рибосомные частицы. На основании разницы в эффективности инициации можно говорить о «сильных» и «слабых» мРНК. На сильных мРНК инициация происходит часто, на них нанизывается много рибосом (образуются плотные полирибосомы) и соответственно продуцируется много молекул белка (Рис.1). Редкая инициация трансляции на слабых мРНК дает в результате редкую посадку рибосом на эти мРНК и, следовательно, низкую белковую продукцию.
Похожая ситуация наблюдается и в эукариотических клетках, но там дискриминация мРНК обусловлена скорее разным сродством факторов инициации, а не самих рибосом к разным 5'-проксимальным инициаторным структурам мРНК. Так как факторы инициации в любом случае локализуются на инициирующих малых рибосомных субъеденицах, то они и определяют разную эффективность посадки рибосом на разные мРНК и, таким образом, дискриминируют их на сильные и слабые.
Различная сила мРНК в значительной мере определяет соотношение продукции различных белков в клетке. Так, структурные белки мембран, рибосомные белки, факторы элонгации, белки оболочки вирусов и другие белки, требуемые в большом количестве, кодируются сильными мРНК, а многие специализированные ферменты и регуляторные белки – слабыми мРНК. Как правило, если белок имеет четвертичную структуру, построенную из разных субъединиц в различном соотношении, то сила мРНК или ее отдельных участков (цистронов), кодирующих эти субъединицы, координирована с пропорцией субъединиц в структуре. Например, мембранный комплекс протонной АТФазы бактерий построен из трех типов субъединиц: a, b и c – в соотношении 1 : 2 : 10 (a1b2c10), и соответственно субъединица c кодируется очень сильным цистроном мРНК, субъединица a – слабым, а субъединица b – цистроном промежуточной силы. Таким образом, дискриминацию мРНК можно рассматривать как механизм конститутивного контроля надлежащего фиксированного соотношения продуктов белкового синтеза.
Трансляционное сопряжение у прокариот
Следует отметить, что у прокариот одна длинная полинуклеотидная цепь мРНК может содержать несколько кодирующих последовательностей (цистронов) для различных белков и такие мРНК называются полицистронными. Пользуясь механизмом внутренней инициации, во многих случаях рибосомы могут инициировать трансляцию последовательных цистронов независимо друг от друга (рис. 2, а), и интенсивность инициации и, следовательно, продуктивность цистронов будут определяться их собственной силой. В других случаях, однако, инициация трансляции внутренних цистронов зависит от трансляции предшествующего (5'-проксимального) цистрона: часто инициация трансляции внутреннего цистрона оказывается невозможной без трансляции предшествующего (рис. 2, б и в). Это и есть трансляционное сопряжение.
Различают два типа трансляционного сопряжения. Первый тип – когда рибосомы, транслирующие предшествующий цистрон, расплетают вторичную и/или третичную структуру мРНК, в которой участвует инициаторный участок последующего цистрона. В результате этот инициирующий участок освобождается и становится доступным для инициации свободными рибосомами (рис. 2, б). Другой тип трансляционного сопряжения – реинициация: сам по себе внутренний цистрон вообще недоступен для свободных инициирующих рибосомных частиц и его инициация может быть осуществлена только частицами, терминировавшими на предыдущем цистроне и еще не успевшими соскочить с мРНК (рис. 2, в).
Трансляционная репрессия
Типичный механизм трансляционной репрессии состоит в том, что специальный белок, называемый репрессором, специфически связывается с участком мРНК, перекрывающимся, как правило, с участком связывания рибосомной частицы при инициации трансляции. Таким образом, связываемый белок-репрессор мешает связываться инициирующей рибосомной частице и тем самым либо уменьшает скорость инициации, либо полностью блокирует ее. Часто в месте связывания белка-репрессора имеется не очень стабильная двуспиральная структура – шпилька, которая легко расплетается инициирующей рибосомой. Белок-репрессор стабилизирует шпильку, превращая ее в плохо преодолимый барьер для инициирующей рибосомы (рис. 3).
Во многих случаях репрессором является сам белок, кодируемый данной мРНК. Другими словами, мРНК репрессируется своим же продуктом. В результате получается регуляция по типу обратной связи: производство избыточного количества белка на данной мРНК приводит к связыванию этого белка с инициаторным участком своей мРНК и таким образом к репрессии собственного синтеза. Пример регуляции трансляции по типу обратной связи – репрессия синтеза фермента треонил-тРНК-синтетазы бактерии избыточным количеством этого фермента, связывающегося с инициаторным участком своей мРНК.
В других случаях репрессором является специальный белок, и его способность связываться с определенными мРНК зависит от присутствия того или иного низкомолекулярного компонента – эффектора
Тотальная регуляция трансляции у эукариот
Наиболее обычный путь тотальной регуляции белкового синтеза у эукариот, во всяком случае у животных и грибов – это активация специальной фосфокиназы, которая фосфорилирует фактор инициации eIF2, что приводит к подавлению инициации трансляции всех мРНК клетки. Сигналами для активации фосфокиназы в клетке являются тепловой шок и другие виды стрессовых воздействий, недостаток ростовых факторов, аминокислотное голодание, недостаток железа, вирусные инфекции. Сильное подавление синтеза белка в этих условиях есть следствие именно активации фосфокиназы и катализируемого ею фосфорилирования eIF2. Степень подавления белкового синтеза может варьировать в зависимости от уровня стресса.
Что же происходит в результате фосфорилирования eIF2? Для связывания инициаторной аминоацил-тРНК (Met-tRNAi) с малой рибосомной субъединицей в процессе инициации трансляции требуется eIF2 в комплексе с ГТФ (GTP); в ходе инициации ГТФ гидролизуется на ГДФ (GDP) и ортофосфат и eIF2 в комплексе с ГДФ (eIF2 : GDP) освобождается из рибосомы. На рис. 4 показано, что в норме дополнительный фактор eIF2В принимает участие в том, чтобы превратить отработанный (неактивный) eIF2 : GDP в необходимый для следующей инициации eIF2 : GTP. Этот фактор играет каталитическую роль в обмене ГДФ на ГТФ, и его в клетке мало. Когда eIF2 фосфорилируется фосфокиназой (eIF2Р), он может обычным образом участвовать в инициации трансляции, но, освободившись из рибосомы с ГДФ (в форме eIF2Р : GDP), он образует прочный комплекс с eIF2В (eIF2В : eIF2Р : GDP) и тем самым связывает весь eIF2В клетки, лишая последнюю возможности катализировать регенерацию eIF2 : GTP из eIF2 : GDP.
