Механизмы регуляции экспрессии генов у эукариотов

Эукариотические организмы (и особенно млекопитающие) устроены значительно сложнее прокариотов и нуждаются в более сложном аппарате регуляции. Так, в организме человека имеется более 200 различных типов клеток, существенно различающихся по структуре и функциям. В то же время различными методами исследования ДНК (прежде всего, методом молекулярной гибридизации) доказано, что количество и структура ДНК практически всех клеток организма одинаковы (за исключением лимфоцитов), т.е. все клетки организма содержат один и тот же геном. У высших организмов по сравнению с прокариотическими существенно возрастает содержание ДНК на гаплоидную клетку: с 4,2×10⁶ пар нуклеотидов у Е. coli до 3,3×10⁹ пар нуклеотидов в клетках человека.

Организация хроматина в дифференцированных клетках многоклеточного организма. В клетках млекопитающих наряду с адаптивной регуляцией, обеспечивающей приспособление организма к меняющимся условиям внутренней и внешней среды, существуют механизмы, которые сохраняют стабильную (существующую на протяжении всей жизни клетки и даже многих её генераций) репрессию одних генов и депрессию других. В ядрах дифференцированных клеток хроматин имеет такую укладку, что только небольшое число генов (часто менее 1%) доступно для транскрипции. Различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и недоступна для транскрипции, и участки эухроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу. В разных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены, а это означает, что в разных тканях транскрибируются разные участки хроматина.

Стойкая репрессия генов гетерохроматина обеспечивается:

• пространственной укладкой ДНК, при которой гетерохроматин находится в высококонденсированном состоянии;
• метилированием дезоксицитидина ДНК-ме-тилазами в 5'-CG-3' последовательностях ДНК. Эта модификация сильно меняет кон-формацию хроматина и препятствует активной транскрипции;
• связыванием с гистонами и образованием нуклеосом, которые также снижают транскрипционную активность ДНК.

Исследования показали, что области эухроматина, в которых расположены активно транскрибируемые гены, обладают некоторыми структурными особенностями:

• они более чувствительны к действию ДНК-аз, чем остальные участки ДНК;
• молекулы гистонов, связанные с ДНК в этих участках, модифицированы: е-аминогруппа лизина метилирована или ацетилирована; метилированы некоторые остатки аргинина и гистидина в гистонах Н2А и Н2В, являющихся коревыми белками нуклеосом. Некоторые молекулы Н2А образуют прочный комплекс с белком убиквитином. В гистоне HI фосфорилируются остатки серина. Результат этой серии ковалентных модификаций - снижение суммарного, положительного заряда гистонов и ослабление сродства нуклеосом к ДНК.
• к областям "активного" хроматина присоединяется группа негистоновых HMG-бел-ков, или белков с высокой подвижностью при гель-электрофорезе. Эти белки содержат много положительно заряженных аминокислотных остатков, связывание с которыми ослабляет взаимодействие ДНК и гистонов и вызывает дополнительное повышение транскрипционной активности генов.

Разнообразие клеток и возросшая сложность клеточных процессов нуждаются в большом разнообразии механизмов регуляции. Показано, что разный набор и количество белков в эукариотических клетках может регулироваться:

• изменением количества структурных генов;
• перестройкой генов в хромосомах;
• эффективностью транскрипции разных участков генома;
• характером посттранскрипционных модификаций первичных транскриптов;
• на уровне трансляции;
• с помощью посттрансляционных превращений вновь синтезированных полипептидных цепей.

Изменениеколичествагенов. Геном эукариотов обнаруживает высокую пластичность, играющую важную роль в регуляции активности некоторых генов и увеличивающую разнообразие клеточных ответов. У млекопитающих реализуются следующие варианты изменений в структуре генов:

· Амплификация (илиувеличениечисла) генов используется организмом в том случае, когда возникает необходимость увеличить синтез определённого генного продукта. Многие гены, кодирующие белки или РНК, необходимые организму в больших количествах (например, гистоны, рРНК, тРНК), постоянно присутствуют в амплифицированном соетрянии. Так, у человека 20% общего генома состоит из участков, кодирующих рибосомные, транспортные и ядрышковые РНК, последние из которых обеспечивают посттранскрипционные модификации РНК. Амплифицированные участки могут располагаться друг за другом (тандемно) в хромосоме или образовывать внехромосомные фрагменты ДНК, называемые двойными мини-хромосомами, их размер колеблется от 100 до 1000 килобаз (1 килобаза = 1000 пар нуклеотидов). Описано более 20 генов, способных амплифицироваться при определённых условиях.

К числу генов, для которых обнаружена амплификация, относят ген металлотионеина. Продукт экспрессии этого гена - низкомолекулярный белок металлотионеин, обладающий способностью связывать тяжёлые металлы (медь, цинк, кадмий, ртуть) и защищать клетки от отравления этими соединениями. Установлено, что в ответ на повышение концентрации тяжёлых металлов в крови в клетках происходит амплификация гена металлотионеина.Другими примерами генов, количество которых увеличивается под влиянием лекарственных препаратов, являются ген дигидрофолатредуктазы и ген Р-гликопротеина, ответственный за синтез белка, обеспечивающего множественную лекарственную устойчивость опухолевых клеток.

· Утратагенетическогоматериала -довольно редкий способ регуляции. Наиболее яркий пример потери всех генов за счёт разрушения ядра - процесс созревания эритроцитов. Нестабильны амплифицированные гены, двойные хромосомы. Они, как правило, исчезают в последующих генерациях. Утрата генетического материала происходит в процессе созревания лимфоцитов и образования плазматических клеток разных клонов, синтезирующих секретируемые формы иммуноглобулинов.

Перестройкагенов. У высших организмов, так же как и у прокариотов, отмечают процесс обмена, перемещения генов между хромосомами или внутри хромосомы, объединение генов с образованием изменённой хромосомы, которая после таких структурных изменений способна к репликации и транскрипции. Этот процесс получил название "генетическая рекомбинация".

У эукариотов рекомбинации наблюдают:

• при половом слиянии яйцеклетки и сперматозоида;
• при перемещении подвижных генетических элементов - транспозонов, в состав которых входят отдельные гены или группа генов, с исходной позиции в какое-либо другое место той же или другой хромосомы;
• при формировании в лимфоцитах "библиотеки" генов, кодирующих антитела или иммуноглобулины.

Рассмотрим более подробно механизмы, обеспечивающие образование в организме каждого человека около 10 млн (10⁷) различных антител, т.е. количества значительно большего, чем число всех других белков, существующих у каждого индивидуума. Антитела с одинаковыми антигенсвязывающими свойствами синтезируются В-лимфоцитами, принадлежащими к одному определённому клону (т.е. группе клеток, возникшей из одной родоначаль-ной клетки), При попадании в организм любого антигена среди имеющегося набора В-лимфоцитов всегда найдётся такой клон клеток, антитела которого имеют комплементарный ему активный центр. Антитела встроены в плазматическую мембрану В-лимфоцитов, и их антигенсвязывающие участки локализованы на поверхности клеток. Антиген, присоединяясь к активному центру антитела, вызывает пролиферацию клеток и превращение В-лимфоцитов в плазматические клетки, в которых идут активный синтез и секреция не связанных с мембраной антител.Изучение вопроса о происхождении антител позволило сделать вывод о том, что огромное многообразие белков иммунной системы кодируется ограниченным количеством генетического материала, изменения в котором обеспечиваются рекомбинациями и соматическими мутациями (или изменениями в структуре ДНК, которые сохраняются при последующих делениях клеток). Вспомним, что мономерные антитела - доменные белки, состоящие из двух идентичных тяжёлых (Н) цепей и двух идентичных лёгких (L) цепей. Лёгкие цепи имеют двухдоменную структуру и включают вариабельный (V_L) и константный (C_L) домены. Тяжёлая цепь состоит из 4-5 доменов: одного вариабельного (V_H) и, как правило, трёх константных (С_H). Иммуноглобулины - гликопротеины; их углеводная часть присоединяется к константной области Н-цепей. В связывании антигенов участвуют 2 активных центра антитела, образованные вариабельными областями Н-цепей (V_H) и L-цепей (V_L). L-цепи бывают двух типов: λ (лямбда) и κ (каппа), значительно различающиеся по первичной структуре С-областей. Наличие в антителах С- и V-областей позволило предположить, что гены, обеспечивающие синтез L- и Н-цепей, образуются в результате соединения двух участков гена, один из которых кодирует вариабельную область, а второй - константную. И действительно вскоре было установлено, что в зародышевых клетках и соматических клетках, не синтезирующих иммуноглобулины, участки гена, кодирующие V- и С-области L-цепей λ-типа, разделены протяжёнными нуклеотидными последовательностями, но сближены в зрелых В-лимфоцитах, синтезирующих L_λ Из этого следовал вывод о том, что в процессе дифференцировки В-лимфоцита из зародышевой клетки происходит "вырезание" протяжённого участка генетического материала, обеспечивающее сближение V_L- и C_λ-областей с образованием полного гена L-цепи иммуноглобулина. Этот процесс перестройки в геноме получил название соматической рекомбинации, так как он связан с созреванием лимфоцитов и не передаётся по наследству. Описано 3 разных семейства генных фрагментов, или сегментов, кодирующих строение L- и Н-цепей Ig. Два семейства ответственны за синтез лёгких цепей: сегменты, кодирующие строение L-цепей типа λ, расположены в хромосоме 22, генетический материал L-цепей типа к (каппа) - в хромосоме 2, а информация о всём разнообразии Н-цепей локализована в хромосоме 14. Полные гены L-цепей λ и κ типов в ходе дифференцировки собираются из 3 сегментов: вариабельного (V_L), соединительного (J_L) и константного (C_L). Так, для L-цепей к типа обнаружено около 300 сегментов, кодирующих N-концевой вариабельный (Vκ) участок полипептидной цепи длиной в 95 аминокислотных остатков, 5 сегментов, в которых содержится информация об остальных 13 аминокислотах Vκ области, и 1 сегмент константной области. В зародышевых клетках 300 сегментов Vκ расположены в хромосоме последовательно на расстоянии 7 килобаз друг от друга. Каждый V-сегмент состоит из 2 экзонов, разделённых коротким интроном: лидирующий экзон (L) кодирует сигнальный пептид (20-25 аминокислотных остатков), а экзон Vκ - основную часть вариабельного домена. Семейство Vκ-сегментов отделено от группы соединительных сегментов (Тк) участком ДНК размером в 20 килобаз. Между последним из Jκ-сегментов и Сκ-экзоном, кодирующим домен константной области, расположен интрон размером в 2,4 килобазы. В ходе дифференцировки В-клеток один из вариабельных V_L-сегментов путём соматической рекомбинации переносится из отдалённого участка в участок той же хромосомы, рядом с одним из сегментов J_L. Например, сегмент V₂ объединяется с соединительным мини-сегментом J₄, и формируется полный ген L-цепи. Он состоит из 3 экзонов и 2 нитронов, расположенных в гене в следующем порядке: 5'L-I₁-V₂-J₄-J₅-I₂-С-3', где L - лидерная последовательность, кодирующая сигнальный пептид, I, - интрон V₂-сегмента, а 1₂ - интрон между семейством J_L-сегментов и Сκ-экзоном. После транскрипции гена в ходе сплайсинга из первичного транскрипта удаляются интроны I₁, I₂и лишний сегмент J₅, а все кодирующие последовательности соединяются в единую информационную молекулу зрелой мРНК. В процессе синтеза L-цепи на рибосоме лидерный участок, состоящий в основном из гидрофобных аминокислот, обеспечивает прохождение белка через мембрану ЭР и затем отщепляется. Образуется L-цепь, имеющая аминокислотный состав, характерный для L-цепи κ-типа в молекуле Ig. Расчёты показывают, что из имеющихся сегментов κ-гена в организме можно синтезировать 4500 полных генов, кодирующих L-цепи κ-типа. Формирование полных генов L-цепей λ-типа происходит так же, как L-цепей κ-типа. Ещё большее разнообразие вариантов возникает при сборке полных генов тяжёлых (Н) цепей Ig. Н-цепи кодируются четырьмя сегментами: V_H, D_H (от англ, diversity) сегментами разнообразия, J_H и С_H. У человека обнаружено около 500 V_H, 15 D_H и 4 J_H сегментов. Каждый V_H сегмент содержит информацию об аминокислотной последовательности сигнального пептида и около 100 аминокислот V_H домена. В сегменте D_H закодирован участок полипептидной цепи, содержащий от 2 до 13 аминокислот, а в сегменте J_H - 4-6 аминокислот. Полный ген вариабельного домена образуется путём соединения V_H, D_H и J_H сегментов. При формировании полного гена вариабельной части Н-цепи Ig, состоящей из V_H, D и J_Hсегментов, происходит 2 рекомбинационные состыковки: на первом этапе удаляется участок между выбранными D_x и J_y кодирующими последовательностями, а на втором - между V_i и D_xJ_y сегментами. Экзонов, кодирующих константную область Н-цепей, описано 10: Сμ, Сσ, Сγ₃, Сγ₁, Сα₁, Сγ₂α, Сγ₂β, Сγ₄, Сε и Сα₂, они определяют классы и подклассы иммуноглобулинов - IgM, IgG, IgA и т.д. Первыми в иммунном ответе появляются IgM, поскольку к полному гену вариабельного домена ближе всех остальных С-экзонов находится Cμ, сегмент Н-цепи. Активированные В-клетки могут синтезировать мембранно-связан-ную и секретируемую формы IgM. Кроме того, они могут переключаться с синтеза IgM на образование антител других классов. Перед каждым С_H экзоном имеется участок ДНК, называемый "участок переключения", или "свич-сайт" (от англ, swich site), построенный из повторяющихся нуклеотидных последовательностей. Эти участки облегчают протекание дополнительной рекомбинации, в ходе которой удаляются С-сегменты между полным геном вариабельной области и С-сегментом того класса, который должен быть включён. Исследование нуклеотидных последовательностей генов некоторых подклассов L-цепей к-типа и Н-цепей показало, что разнообразие структуры сегментов, закодированных в зародышевой клетке, увеличивают соматические мутации. Мутации происходят в дифференцированных клетках на участках V_L-J_L и V_HD_HJ_H сегментов в процессе или после рекомбинаций, делая, таким образом, количество антител практически неограниченным. Очень важно, что мутации происходят в областях, ответственных за узнавание антигенов, обеспечивая более полное соответствие активного центра антитела антигену. Таким образом, перестройки генетического материала в процессе формирования полных генов Ig происходят в несколько этапов, каждый из которых приурочен к строго определённой стадии дифференцировки В-лимфоцитов. Из сегментов, которые кодируют различные участки полипептидной цепи, входящей в вариабельные домены, и одного из экзонов константного домена собираются полные гены тяжёлых и лёгких нитей Ig. Сборка L-цепей включает одну соматическую рекомбинацию, а сборка Н-цепей происходит с помощью двух соматических рекомбинаций. Когда В-лимфоциты синтезируют Ig не класса М, то это сопровождается ещё одним дополнительным рекомбинационным событием. Соматические мутации, происходящие в зрелых В-лимфоцитах, делают многообразие антител неисчерпаемым. Аналогичные процессы наблюдают и в ходе дифференцировки Т-лимфоцитов.

Регуляциятранскрипции. Регуляция транскрипции генов высших организмов сходна с регуляцией экспрессии генов прокариотов. Основное различие состоит в значительно большем количестве участков ДНК и регуляторных факторов, контролирующих этот процесс. У животных и человека различные гены экспрессируются в разные моменты времени и с разной интенсивностью. Здесь, так же, как у прокариотов, есть гены "домашнего хозяйства", транскрибирующиеся конститутивно, т.е. постоянно и во всех тканях. Это гены гликолиза, синтеза РНК и некоторых белков (например, альбумина). Существуют гены, транскрибирующиеся только в специализированных клетках, т.е. имеет место тка-неспецифическая экспрессия. Например, экспрессия генов α- и β-цепей глобина происходит только в клетках-предшественниках эритроцитов. Многие гены подвергаются адаптивной регуляции и являются объектами индуцибельных воздействий или негативного контроля. Ранее уже говорилось о том, что минимальный синтез любого белка поддерживается в том случае, если к ТАТА-участку промотора присоединяется ТАТА-связывающий белок, факторы транскрипции и РНК-полимераза, образующие инициирующий комплекс, осуществляющий синтез небольшого количества мРНК. Формирование комплекса - многоступенчатый процесс, от образования которого зависит скорость инициации транскрипции. Идентифицировано более 100 различных белков, способных взаимодействовать со специфическими регуляторными последовательностями ДНК, влияя главным образом на процесс сборки транскрипционного комплекса и скорость транскрипции.

Эти белки имеют один или несколько доменов, обеспечивающих выполнение регуляторных функций.

· ДНК-связывающие домены, ответственные за узнавание и связывание регуляторных факторов со специфическими участками на молекуле ДНК;

· Домены, активирующие транскрипцию за счёт связывания с белками основного инициаторного комплекса: транскрипционными факторами, коактиваторами и РНК-поли-меразой;

· Антирепрессорные домены, благодаря которым белки способны взаимодействовать с гис-тонами нуклеосом и освобождать транскрибируемые участки ДНК от связи с этими ингибиторными структурами;

· Домены, связывающие лиганды, присоединение которых к белку изменяет его конформацию и обеспечивает связывание с молекулой ДНК. Лигандь1-индукторы транскрипции - стероидные гормоны, ретиноевая кислота, каль-цитриол (производное витамина D₃) и гормоны щитовидной железы. Лигандами-репрессорами могут быть конечные продукты метаболических путей, некоторые гормоны. Будучи липофильньши молекулами, они проходят плазматическую, а иногда и ядерную мембраны, взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами, присоединяясь к лиганд-связьгвающему участку. Присоединение лиганда к рецептору образует ДНК-связьшающий участок, узнающий специфическую последовательность в регуляторной зоне ДНК и индуцирующий транскрипцию определённых генов.

На молекуле ДНК на расстоянии 100-200 пар оснований от стартовой точки транскрипции имеются короткие специфические последовательности ДНК: СААТ - элемент (или бокс), CG-бокс и октамерный бокс (включающий 8 пар оснований), узнающие транскрипционные факторы. Эти элементы есть во всех клетках, и конститутивно экспрессируемые гены нуждаются только в них. В то же время для генов, подвергающихся адаптивной регуляции, обнаружены участки молекулы ДНК, которые удалены (до 1000 и более пар оснований) от промотора, но тоже участвующие в регуляции транскрипции. Эти нуклеотидные последовательности бывают 2 типов.

Энхансеры - участки ДНК размером 10-20 пар оснований, присоединение к которым регуляторных белков увеличивает скорость транскрипции. Если участки ДНК, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции, то их называют сайленсерами. Эти структурные элементы молекулы ДНК контролируют транскрипцию, даже если они ориентированы на молекуле ДНК в любом направлении (от 5'- к З'-концу или наоборот);

Элементы ответа, или cis-элементы -регуляторные последовательности ДНК, общие для группы генов. Они обеспечивают координированную регуляцию транскрипции генов и, как правило, располагаются на расстоянии примерно в 250 пар оснований выше промотора каждого гена. В остальном эти нуклеотидные последовательности имеют много общего с энхансерами. В данном варианте регуляции один и тот же индуктор, связываясь с соответствующим регуляторным белком, может активировать много разных генов, так как каждый из них в регуляторной области содержит один и тот же cis-элемент. Один из белков-продуктов этой группы генов может оказаться индуктором другой группы генов. Конечный результат регуляции - серия ответных реакций за счёт активации различных генов одним индуктором. К генам, регулируемым cis-элементами, относят гены, чувствительные к стероидным гормонам, гены белков теплового шока и многие другие. Например, при повышении температуры или после какого-либо другого клеточного стресса активируется синтез транскрипционного фактора, который индуцирует транскрипцию генов, кодирующих строение шаперонов. Очевидно, что эффективность регуляции во многом зависит от структуры транскрипционных факторов и внутриклеточных рецепторов, непосредственно взаимодействующих с молекулой ДНК. Установлено, что большинство ДНК-связывающих белков принадлежит к трём семействам в зависимости от структуры домена, непосредственно взаимодействующего с двойной спиралью ДНК. Эти белки включают структуры типа "спираль-поворот-спираль", "цинковые пальцы" и "лейциновой молнии" (см. раздел 1). Как правило, эти структуры - небольшие фрагменты молекул белков, а сайт-специфическое связывание происходит за счёт взаимодействия между радикалами аминокислот этих участков и азотистыми основаниями молекулы ДНК.

Посттранскрипционная регуляция. В организме животных существенное значение в обеспечении разнообразия белков играет посттранскрипционный процессинг РНК. Основные способы такой регуляции - альтернативный сплайсинг и изменение стабильности РНК.

Альтернативный сплайсинг. Установлено, что многие эукариотические гены, будучи транскрибированы, образуют несколько вариантов зрелой мРНК в ходе процессинга (или созревания) первичного транскрипта, имеющего полиэкзонное строение.Наиболее часто промотор сохраняется на одном из концов транскрипта, а в ходе сплайсинга происходит "вырезание" одного или нескольких экзонов. В других случаях в зрелой мРНК сохраняется часть интрона и включается в состав экзона с 5' или 3'-конца. Сплайсинг может влиять на выбор промотора или участка полиаденилирования. С помощью альтернативного сплайсинга в процессе синтеза антител образуются мембра-носвязанные и секреторные формы антител. Так, первоначально В-лимфоциты продуцируют транскрипты, полиаденилированные после второго стоп-кодона, а интрон, в котором имеется первый стоп-кодон, удаляется. В результате синтезируются IgM, связанные с клеточной мембраной, так как мРНК таких клеток содержит на 3'-конце экзон, кодирующий участок полипептидной цепи, состоящий из гидрофобных аминокислот. С помощью этого участка происходит "заякоривание" IgM в мембране. Когда В-лимфоциты превращаются в плазматические клетки, то в езультате альтернативного сплайсинга образуется мРНК, в которой сохраняется интрон, содержащий первый стоп-кодон. Поэтому происходит более раннее полиаденилирование и исчезает экзон, кодирующий гидрофобный участок молекулы. Синтезируются укороченные молекулы антител, секретируемые в кровь.

"Редактирование" РНК. Описан ряд случаев, когда первичная структура мРНК изменяется ("редактируется") после транскрипции. Последовательность нуклеотидов в таких генах одинакова, а транскрибируемая в разных тканях мРНК различается в результате появления в молекуле замен, вставок или выпадений нуклеотидов. Пример "редактирования" РНК - образование апопротеина В (апо-В) в клетках печени и тонкого кишечника. Апо-В - основной компонент липопротеинов, участвующих в транспорте триацилглицеринов из этих тканей в кровь. Хотя апопротеин В кодируется одним и тем же геном, вариант белка, образующийся в печени, называют апо-В-100, и он содержит 4563 аминокислотных остатка, тогда как белок, синтезированный в клетках кишечника, состоит из 2152 аминокислот. В гене, кодирующем этот белок, последовательность нуклеотидов в триплете 2153 - САА и шифрует включение в полипептидную цепь остатка глутамина. В клетках кишечника в первичном транскрипте гена азотистое основание - цитозин (С) ко-дона 2153 дезаминируется и превращается в урацил (U). Возникает стоп-кодон - UAA, прекращающий трансляцию мРНК в середине молекулы и приводящий к синтезу укороченного белка. В результате образуется белок (В-48), длина которого составляет 48% от длины белка синтезируемого печенью.

Изменение стабильности мРНК. Для того, чтобы участвовать в синтезе белка, мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Установлено, что в ядре клеток обычно синтезируется больший набор гетерогенных РНК, чем тот, что выходит в цитоплазму. Многие продукты транскрипции подвергаются расщеплению нуклеазами, а те мРНК, что, транспортируются из ядра в цитоплазму, защищаются от гидролитического разрушения, образуя комплексы с белками. Время жизни эукариотических мРНК значительно больше (t_1/2 составляет от нескольких часов до нескольких дней), чем t_1/2 мРНК прокариотов, равное нескольким минутам. Очевидно, что стабильность молекул мРНК - фактор, изменение которого влияет на уровень трансляции. Стабилизация мРНК при фиксированной скорости транскрипции приводит к накоплению и увеличению количества образующегося белкового продукта. Продолжительность жизни разных мРНК варьирует в достаточно широких пределах. Некоторые гены кодируют продукт с большой продолжительностью жизни. Так, в ходе транскрипции гена β-глобина образуется мРНК с t_1/2, равной примерно 10 ч. Другие гены образуют мРНК с короткой продолжительностью жизни: мРНК, на которых синтезируются факторы роста, имеют t_1/2 менее 1 ч. Показано, что поли(А)-фрагмент на 3'-конце мРНК увеличивает продолжительность жизни молекул. Чем длиннее поли(А)-фрагмент, тем больше время жизни мРНК. Описано много примеров регуляции количества синтезирующихся белков за счёт изменения продолжительности функционирования мРНК. Так, стабильность мРНК-матриц для синтеза молекул гистонов сильно зависит от фазы клеточного цикла. В S-фазе гистоны постоянно синтезируются и используются для укладки вновь образованной ДНК в нуклеосомы. Гистоновая мРНК в этот период стабильна в течение нескольких часов. После S-периода, когда ДНК уже не синтезируется, в клетках образуется небольшое количество гистонов, так как они не требуются для формирования нуклеосом. В этот период t_1/2 для гистоновой мРНК составляет 10-15 мин.

Регуляция трансляции и посттрансляционных модификаций

Изменение скорости трансляции. Хотя изменение скорости образования белков на уровне трансляции не относят к числу основных способов регуляции количества и разнообразия белков, некоторые случаи такой регуляции известны. Наиболее изученный пример - синтез белков в ретикулоцитах. Известно, что на этом уровне дифференцировки кроветворные клетки лишены ядра, а следовательно, и ДНК. Регуляция синтеза белка-глобина осуществляется только на уровне трансляции и зависит от содержания тема в клетке (рис. 4-56). Если внутриклеточная концентрация тема высока, то глобин синтезируется; когда содержание тема снижается, то ингибируется и образование глобина. Остановка синтеза белка осуществляется за счёт фосфорилирования фактора инициации eIF2, который в фосфорилированной форме неактивен. Гем предотвращает фосфорилирование eIF2, связываясь со специфической протеинкиназой, которая получила название гемкиназы. Некоторые мРНК содержат элементы вторичной структуры на 5'- или 3'-концах нетранслируемого участка мРНК, к которым могут присоединяться белки и ингибировать трансляцию. Например, синтез ферритина - белка, обеспечивающего хранение ионов железа в клетке, усиливается при повышении внутриклеточной концентрации железа. Обнаружено, что мРНК ферритина на 5'-конце имеет петли, к которым при низкой концентрации железа присоединяется регудяторный белок. Когда этот белок связан с мРНК, то трансляция не идёт. Если концентрация ионов железа в клетке повышается, то Fe³⁺ взаимодействует с белком, изменяет его конформацию и сродство к мРНК. мРНК освобождается от регуляторного белка, и на ней начинается синтез ферритина.

Различия в продолжительности жизни молекул белка. После того как белки синтезированы, время их жизни регулируется протеазами. Разные белки имеют разные t_1/2: от нескольких часов до нескольких месяцев, а иногда и лет. В каждой клетке скорость расщепления белков варьирует в широких пределах. Ферменты, катализирующие регуляторные реакции метаболических путей, как правило, подвергаются быстрому расщеплению, поэтому скорость обновления этих молекул достаточно высока. Физиологическое состояние организма также влияет на продолжительность жизни белков. Кроме того, существует мощная система защиты, обеспечивающая быстрое расщепление дефектных белков. Некоторые белки расщепляются лизосомными ферментами. В процессе аутофагии содержимое клетки, включая органеллы, окружается мембраной, сливается с лизосомой другой клетки и подвергается действию лизосомных ферментов.В результате гидролиза образующиеся мономеры поступают в цитоплазму для повторного использования. Для других белков показано расщепление в цитоплазме протеазами. Так, подлежащие разрушению белки первоначально отмечаются клеткой путём присоединения белка под названием убиквитин. Этот небольшой белок, состоящий из 76 аминокислотных остатков, обнаружен у многих организмов.

111. Понятие о клеточной дифференцировке. Изменение белкового состава клеток при дифференцировке (на примере белкового состава полипеп­тидных цепей гемоглобина).

 

Часть пролиферирующих клеток созревает и дифференцируется последовательно в клетки нескольких морфологических типов. Дифференцировка клеток определенного типа сводится к экспрессии в них комплекса генов, специфичных для данной клеточной линии. Экспрессия этих генов в свою очередь контролируется регуляторными районами гена - промоторами и энхансерами. С промотора начинается транскрипция гена, для чего помимо РНК-полимеразы II требуются и активирующие факторы. Энхансеры - регуляторные районы ДНК, расположенные на некотором расстоянии от контролируемых ими генов, но в том же локусе хромосомы. Активация энхансеров и регуляторных участков промотора ведет к резкому увеличению активности гена, т.е. к усилению скорости его транскрипции. Активация же промоторов и энхансеров происходит при их специфическом взаимодействии с тканеспецифическими ядерными транскрипционными факторами (ТФ), набор и специфичность которых определяют направление и уровень дифференцировки данной клеточной линии. Для того, чтобы промоторы и энхансеры тканеспецифических генов могли взаимодействовать с ТФ, они должны быть "открытыми", т.е. не блокированными белками хроматина, который "закрывает" энхансеры и гены, неактивные в клетках данного типа. Таким образом, дифференцировка клеточной линии осуществляется путем взаимодействия набора тканеспецифических ТФ с энхансерами ипромоторами тканеспецифических генов. Это взаимодействие приводит к экспрессии дифференцировочных генов, определяющих специфичность данной клеточной линии. Как образуется набор специфичных для данной ткани ТФ и чем контролируется конфигурация хроматина, "разрешающая" взаимодействия ТФ с энхансерами и промоторами, а РНК-полимеразы II с промоторами генов в разных клеточных типах, - это вопросы, находящиеся в процессе активного исследования.

Гемоглобины человека. В ходе эволюции из единичных генов-предшественников возникли семейства генов α- и β-глобинов, на хромосомах 16 и 11 соответственно. В процессе онтогенеза у людей образуются разные виды гемоглобинов, обеспечивающие наилучшую адаптацию к меняющимся условиям существования. НbЕ - эмбриональный, синтезируется у зародыша в первые месяцы развития, HbF - фетальный, обеспечивает дальнейшее внутриутробное развитие плода, а НbА и НЬA₂ осуществляют транспорт кислорода в организме взрослого человека. Эти белки представляют собой тетрамеры, состоящие из полипептидных цепей двух видов: α и β в НbА (2α2β), α и ε в НbЕ (2α2ε), а у остальных гемоглобинов β-цепи заменены на γ-полипептиды в HbF (2α2γ) или на δ-цепи в HbА₂ (2α2δ). Полиморфизм гемоглобинов в популяции людей очень велик. Наряду с генами, кодирующими изобелки и занимающими разные локусы на хромосоме, обнаружено большое число вариантов гемоглобина А, являющихся продуктами аллельных генов. Один из наиболее известных аллельных вариантов НЬА - HbS, образующийся в результате замены остатка глутамата в положении 6 β-цепи НbА на валин (β6 Глу→Вал). По аллелям НbА и HbS всех людей можно разделить на 3 генотипически различающиеся группы: АА, AS и SS. Распространённость аллеля S по земному шару неравномерна. Часто людей с этим аллелем можно встретить в малярийных районах Африки и Азии (до 35%). К настоящему времени описано свыше 300 вариантов НbА, на основании этого признака всех людей можно разделить на 600 генотипических групп по наиболее часто встречающимся аллелям.

 

112. Молекяулрные механизмы генетической изменчивости. Молекуляр­ные мутации: типы, частота, значение

 

Классификация мутаций

Тип мутаций	Характер мутационных изменений	Примеры последствий
Геномный	Изменение числа хромосом	Болезнь Дауна (появление дополнительной хромосомы 21)
Хромосомные	Общее число хромосом не меняется. Наблюдают перестройки хромосом, обычно видимые при микроскопическом исследовании.	Мышечная дистрофия Дюшенна (делеции Х-хромосомы)
Генные	Изменения затрагивают один кодон или небольшой отрезок гена и не обнаруживаются цитогенетически	Серповидно-клеточная анемия, вызванная заменой одного нуклеотида в гене β-цепи глобина

 

Изменения в геноме могут быть разнообразны и затрагивать различные по протяжённости участки ДНК от хромосом и генов до отдельных нуклеотидов. Наиболее драматичны геномные и хромосомные мутации, часто наблюдаемые на уровне соматических клеток. Если они имеют место в половых клетках, то для организма это имеет чаще всего летальные последствия. Частота мутаций в половых клетках высока. Существуют данные, указывающие на то, что в 20% случаев при беременности у эмбрионов наблюдают нарушения структуры хромосом. В 90% случаев это приводит к ненормальному развитию плода и элиминированию зародышей в результате спонтанных абортов. Выкидыши, происходящие в течение первых нескольких недель беременности, связаны с серьёзными нарушениями хромосом. В 50% случаев отмечается трисомия по аутосомам, т.е. вместо пары хромосом наблюдаются три. Пример такой патологии - болезнь Дауна, при которой хромосома 21 присутствует в 3 экземплярах. Некоторые генные мутации закрепляются в популяции, становятся наследственными и определяют эволюционные процессы. С мутациями такого типа связано появление различных наследственных патологий, сопровождающихся прекращением синтеза белка, кодируемого повреждённым геном, либо синтезом изменённого белка.

Генные, или точечные, мутации бывают в основном 3 видов:

· замены, при которых одно азотистое основание в ДНК замещается на другое;

· вставки, обеспечивающие внедрение в молекулу ДНК одного или нескольких дополнительных нуклеотидов;

· делеции (или выпадения) одно