Механизмы и этапы экспрессии генов

Каждый специфический ген обычно активно транскрибируется в группе клеток или тканей тела. Экспрессия генов в значительной степени определена промотерными элементами гена. Обычно наиболее важный участок промотер — это интервал последовательности до кэпа. Этот проксимальный участок промотера содержит консенсусные сайты связывания для разнообразных транскрипционных факторов, некоторые из которых распространены в природе и требуются для экспрессии всех генов; другие являются специфичными для определенной ткани или линии клеток, а некоторые абсолютно специфичны для данного типа клеток и/или для стадии развития или дифференцировки.

Размер промотера может изменяться в широких пределах в зависимости от семейства генов или от отдельных генов. Например, гены кератина тесно прилегают в двух кластерах генов на хромосоме 12q и 17q, но они обладают абсолютной тканевой специфичностью, достигаемой двумя различными путями. Во-первых, эти гены экспрессируются только в эпителиальных клетках, и поэтому их промотеры должны иметь регуляторные последовательности, которые задают экспрессию в эпителии. По этой причине эти регуляторные элементы специфичны для клеток эктодермального происхождения.

Во-вторых, эти гены экспрессируются в очень специфичных группах эпителиальных клеток, и поэтому должен существовать второй уровень контроля, который точно задает экспрессию специфичных генов кератина в разных слоях эпителиальных клеток. Это хорошо видно на примере волосяного фолликула, состоящего из множества различных слоев эпителиальных клеток, каждый из которых обладает специфическим видом экспрессии генов кератина.

Транскрипционные факторы и белки связываются с ДНК либо напрямую, либо опосредованно при ассоциации с другими ДНК-связывающими белками. Связывание этих факторов с промотером гена ведет к активации транскрипционного аппарата и транскрипции гена РНК полимеразой II. Белковые транскрипционные факторы кодируются генами, которые, в свою очередь, находятся под контролем промотеров, которые регулируются другими факторами транскрипции, кодируемыми другими генами.

Так, есть несколько уровней контроля над экспрессией генов в заданном типе клеток, и их взаимосвязь раскрыть в эксперименте достаточно трудно. Тем не менее путем изоляции последовательности промотера от интересующего гена и подстановки этой последовательности перед репортерным геном, экспрессию которого можно анализировать биохимическими методами (например, экспрессию люциферазы светлячка можно оценить по излучению света), активность промотера можно воспроизвести в культуре клеток, которые в норме экспрессируют этот ген.

Комбинирование генной репортерной системы с сайт-направленным мутагенезом (делеция или замена небольшого числа н.п.) в промотере может помочь определить протяженность промотера и важные участки последовательности внутри него, которые необходимы для экспрессии гена. Множество биохимических методик (ДНК-футпринтинг, защита от рибонуклеаз, тесты на определение электрофоретической подвижности или иммунопреципитация хроматина) может быть использовано для определения того, какой транскрипционный фактор связывается с определенным промотером, и это может помочь в идентификации специфических связей в промотерной последовательности.

Экспрессия репортерных генов под контролем клонированного промотера в трансгенных мышах также помогает пролить свет на то, какие последовательности важны и требуются для воспроизведения эндогенной экспрессии исследуемого гена. Промотеры кератина необычны в том, что эти маленькие фрагменты всего из 2000-3000 п.н. перед кодирующей последовательностью гена могут почти полностью задавать тканевую специфичность. По этой причине промотеры кератина широко используются в дерматологии для того, чтобы запустить экзогенную трансгенную экспрессию в различных специфических клетках эпидермиса и их производных с целью определения функции гена, клетки или ткани.

Некоторые промотеры или энхансерные последовательности действуют на очень большом расстоянии. В некоторых случаях последовательности, расположенные на расстоянии миллионов н.п. рядом с другими генами в промежуточных участках, каким-то образом влияют на экспрессию гена-мишени. При некоторых генетических заболеваниях обнаружены мутации именно в таких далеко расположенных промотерных элементах. Этот тип мутаций в целом является редким, но так как эти мутации происходят очень далеко от гена-мишени, выявить их очень трудно.

В целом, лишь немногие из описанных на сегодняшний день мутаций, вызывающих заболевания, затрагивают промоторные участки. Вероятно, однако, что сведений относительно нарушений этого типа существенно недостает, поскольку последовательности, несущие промоторную функцию, недостаточно полно описаны. Поиск связывающих сайтов для транскрипционных факторов путем компьютерного анализа остается неточным и является областью для дальнейшего изучения в будущем, т.к. последовательности генома человека подвергнутся все более детальному исследованию.

Геном человека на примере 17-й хромосомы
Иллюстрация сложности устройства генома человека.
Слева короткое (р) и длинное (q) плечо хромосомы 17 человека изображены с нанесением цитогенетических хромосомных полос.
Один из этих участков, 17q21.2, выделен, чтобы показать, что он состоит приблизительно из 900000 пар оснований и содержит несколько генов, включая 27 типов кератина функционального типа I.
Этот участок увеличен для того, чтобы показать один ген кератина, KRT14, кодирующий кератин 14 и состоящий из 8 экзонов.

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Выявление генов ответственных за заболевание"

Оглавление темы "Генетика заболеваний кожи.":
  1. Значение изучения генома человека в дерматологии
  2. Структура хромосомы и генов человека
  3. Механизмы и этапы экспрессии генов
  4. Выявление генов ответственных за заболевание
  5. Механизм мутации генов и их полиморфизм
  6. Менделевские болезни и варианты их наследования
  7. Хромосомные болезни с кожными проявлениями
  8. Митохондриальные болезни с кожными проявлениями
  9. Комплексная генетика кожных болезней
  10. Мозаицизм в генетике кожных болезней

Ваши замечания и вопросы: