Специфическая регуляция генной активности. Методы регуляции генной активности.

Промоторы. Регуляция экспрессии генов эукариот основана на тех же принципах, что и у прокариот, хотя существуют и различия. Во-первых, как уже упоминалось, у эукариот нет оперонов, и каждый ген представляет собой независимую транскрипционную единицу. Промоторы эукариот несколько отличаются от прокариотических по структуре. Функционально наиболее важные последовательности в промоторе эукариотического гена находятся в положениях «-25" (бокс Хогнесса) и «-75». Есть и другие участки, более удаленные от стартовой точки транскрипции.

Другую структуру имеют промоторы генов транспортных, рибосомных РНК и 5SPHK. Прежде всего, эти промоторы внутренние, поэтому перед номерами их нуклеотидов ставится знак «+». Промотор гена тРНК представлен на рисунке. В промоторе генатРНК имеются А- и В-боксы. Установлены их канонические последовательности. При уменьшении расстояния между боксами транскрипция снижается или полностью прекращается. Замена всего одного нуклеотида в В-боксе в положении 56 CG —> GC в TG петле искажает правильную структуру тРН К. Регуляторная область гена 5S имеет сходную структуру. Она расположена между +50- и + 90-нуклеотидами и также имеет А-и С-боксы.

Энхансеры. Среди регуляторных элементов эукариот выделяют энхансеры, которые обычно располагаются достаточно далеко от регулируемого гена. Предполагается, что сближение энхансера и промотора достигается в результате образования между ними петли ДН К, при этом белки-активаторы, «узнающие» энхансер, могут непосредственно взаимодействовать с транскрипционным комплексом.

Энхансеры - усилители транскрипции - обладают следующими свойствами:
• могут находиться как в 5', так и в 3'-областях, а также в интронах и даже на значительном расстоянии от промоторов;
• активируют гены независимо от ориентации;
• один энхансер может активировать различные гены;
• действие их может быть ткане- и видоспецифичным;
• энхансеры доступны действию различных белков, в том числе и гормонов.

регуляция генной активности

Сайленсеры - ослабители транскрипции — являются негативными элементами по отношению к транскрипции. Они так же, как и энхансеры, функционируют в цис-положении и могут оказывать свое действие на большом расстоянии от гена и при разной ориентации по отношению к нему.

Транскрипционные факторы. Многоклеточные эукариоты состоят из различных типов клеток, разнообразие которых обусловлено дифференциальной экспрессией генов, определяющих образование тканеспецифических белков. Один из механизмов, лежащих в основе дифференциальной экспрессии, - регуляция процесса транскрипции.

Так, изучено влияние регуляторных белков на активность промотора альбуминового гена AL В млекопитающих, функционирующего в клетках печени. Левее стартовой точки расположены: последовательность промотора TATA (определяющего начало транскрипции, но не частоту инициации этого процесса) и последовательность ССААТ (влияющая на эффективность транскрипции). Тканевая специфичность определяется взаимодействием специфических факторов транскрипции со вспомогательными последовательностями промотора РЕ, DEI, DEI), и DEIII. Последовательность РЕ у мыши (из 13 нуклеотидов) служит сайтом связывания для тканеспецифического белка печени - HNFI. С последовательностью DEI взаимодействует белок СВР, а с DEII - NFI. Эти белки не обладают специфичностью, их роль - активация процесса транскрипции. Пока не ясно, каким образом взаимодействуют специфические и неспецифические белки в регуляторной области гена ALB.

Установлены сайты связывания регуляторных белков в промоторе гена Р-интерферона IFN. Промотор этого гена находится между парами оснований -204 и +1. Левее ТАТА-бокса расположены последовательности пяти элементов, две из которых (NRDI и NRD2) ответственны за негативную регуляцию, а три (PRDI, PRD1I и PRDIII) способствуют активации транскрипции при присоединении к ним соответствующих белков. Механизм смены этих процессов пока не изучен.

Факторы транскрипции и ядерный матрикс. Ядерный матрикс был открыт в 50-е гады прошлого века И.Б. Збарским. Эта структура состоит из нерастворимых белков. Именно на нем происходит процесс транскрипции и созревания пре-мРНК. Показано, что факторы транскрипции, соединяясь с ядерным матриксом, обеспечивают правильное пространственное расположение промоторньгх и энхансерных участков генов. Они взаимодействуют с ДНК в участках связывания с матриксом и другими белками ядерного матрикса, которых выявлено не менее 50. К ним относятся белки, связывающиеся с ДНК посредством «цинковых пальцев» (SP-l, MyTl, ZNF74, ATRX); белки, связывающиеся с ДНК с помощью «лейциновой застежки-молнии» (С/ЕВР, ATF, YY- i); рецепторы стероидных гормонов и ассоциированные с ними факторы; белки с HMG-доменом (HMGl, HMG2, HMG14, HMG17, AVL-1B, NMP2) и многие другие.

Часто транскрипционные регуляторные факторы имеют специфическую структуру, например, структуру типа "цинковых пальцев". Она характеризуется аминокислотными петлями, имеющими в основании два цистеина в одной части петли и два гистидина - в другой, связанные ионом цинка. Наряду с такими ферментами как РН К-полимеразы и топоизомеразы, в клетках эукариот присутствуют различные регуляторные белки, взаимодействующие с промоторами, энхансерами и сайленсерами. Таким белком является PI, взаимодействующий с CCGCCC-блоком и ядерный фактор, связывающийся с СААТ-блоком. Нуклеосомьг в активном хроматине соединены с белками HMG14H HMG17.

В научной литературе обсуждаются различные гипотезы, обьясняющие, как РН К-полимераза может транскрибировать хроматин, В соответствии с одной из них, нуклеосома разворачивается, половинки ее сердцевины разъединяются, РНК-полимераза транскрибирует ДНК, а затем половинки нуклеосомы опять складываются. Согласно другой модели, РНК-полимераза транскрибирует витки ДНК, которые нуклеосома сбрасывает по очереди: сначала один виток, а затем - другой.

Метилирование оснований ДНК. Значительную роль в регуляции экспрессии генов у эукариот может играть метилирование ДНК (обычно по 5-му углероду цитозина). Неактивные гены содержат относительно много метильных групп. Состояние повышенного метилирования может стабильно поддерживаться в течение многих поколений клеток. Для этого существует специальный механизм, обеспечивающий присоединение метильных групп в местах, аналогичных тем, где уже произошло метилирование в другой цепи. Механизм действия метильных групп заключается в том, что они нарушают взаимодействия ДНК-белок. Выступая в большую бороздку ДНК, метильные группы препятствуют связыванию транскрипционных факторов. Кроме того, метилированные районы ДНК могут взаимодействовать с транскрипционными репрессорами типа МеСР2, являющегося составной частью белкового регуляторного комплекса.

Импринтинг. Феномен импринтинга демонстрирует роль метилирования в регуляции экспрессии генов. Суть этого феномена заключается в том, что аллели, унаследованные от отца и матери, экспрессируются по-разному. Согласно одной из гипотез, это связано с различным метилированием аллелей при образовании половых клеток. Подробно болезни импринтинга рассмотрены в части II. Медицинская генетика.

Другой пример влияния метилирования на активность генов — лайонизация одной из Х-хромосом у женщин. Гены инактивированной (лайонизированной) хромосомы почти все метилированы.

- Читать далее "Неспецифическая регуляция генной активности. Компенсация дозы генов у дрозофилы."

Оглавление темы "Генные и хромосомные мутации.":
1. Регуляция транскрипции у прокариот. Негативная и позитивная регуляция генной активности.
2. Специфическая регуляция генной активности. Методы регуляции генной активности.
3. Неспецифическая регуляция генной активности. Компенсация дозы генов у дрозофилы.
4. Компенсация дозы генов у млекопитающих. Современная теория инактивации Х-хромосомы.
5. Регуляция генной активности на уровне репликации. Трансляционная и посттрансляционная регуляция генной активности.
6. Мутации. Теоритические основы мутационной изменчивости.
7. Геномные мутации. Гаплоидия. Полиплоидия.
8. Анеуплоидия. Нуллисомия. Моносомия. Полисемия.
9. Хромосомные мутации. Делеции. Дупликации.
10. Инверсии хромосом. Транслокации хромосом.

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: