16: Експресія генів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1865

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Якщо кожна клітина має один і той же геном і послідовність ДНК, кожна клітина не вмикається і не експресує один і той же набір генів. Кожному типу клітин потрібен різний набір білків для виконання своєї функції. Тому в клітці виражається лише невелика підмножина білків. Щоб білки були експресовані, ДНК повинна транскрибуватися в РНК, а РНК повинна бути переведена в білок. У даному типі клітин не всі гени, закодовані в ДНК, транскрибуються в РНК або перетворюються на білок, оскільки конкретні клітини нашого організму мають специфічні функції. Спеціалізовані білки, що входять до складу ока (райдужна оболонка, кришталик та рогівка), виражаються лише в оці, тоді як спеціалізовані білки в серці (клітини ритму, серцевий м'яз та клапани) виражаються лише в серці. У будь-який момент часу тільки підмножина всіх генів, закодованих нашою ДНК, експресується і перетворюється на білки. Експресія конкретних генів - це високо регульований процес з багатьма рівнями та етапами контролю. Ця складність забезпечує правильне вираження в належній клітці в належний час.

16.0: Прелюдія до експресії генів
Кожна соматична клітина в організмі, як правило, містить однакову ДНК. Кілька винятків включають еритроцити, які не містять ДНК в зрілому стані, і деякі клітини імунної системи, які переставляють свою ДНК, виробляючи антитіла. Загалом, однак, гени, які визначають, чи є у вас зелені очі, каштанове волосся, і як швидко ви метаболізуєте їжу, однакові в клітині очей і печінки, хоча ці органи функціонують зовсім по-різному.
16.1: Регуляція експресії генів
Регуляція експресії генів зберігає енергію і простір. Це потребуватиме значної кількості енергії для того, щоб організм постійно експресував кожен ген, тому більш енергоефективним є включення генів лише тоді, коли вони потрібні. Крім того, лише експресія підмножини генів у кожній клітині економить місце, оскільки ДНК повинна бути розмотана з її щільно згорнутої структури для транскрибування та перекладу ДНК.
16.2: Регуляція прокаріотичного гена
ДНК прокаріотів організована в кругову хромосому, перекручену в нуклеоїдної області цитоплазми клітини. Білки, необхідні для певної функції, або які беруть участь в одному і тому ж біохімічному шляху, кодуються разом в блоки, звані оперонами. Наприклад, всі гени, необхідні для використання лактози як джерела енергії, кодуються поруч один з одним в опероні лактози (або лаку).
16.3: Еукаріотична епігенетична регуляція генів
Експресія генів еукаріотів є більш складною, ніж експресія прокаріотичних генів, оскільки процеси транскрипції та трансляції фізично розділені. На відміну від прокаріотичних клітин, еукаріотичні клітини можуть регулювати експресію генів на багатьох різних рівнях. Експресія гена еукаріотів починається з контролю доступу до ДНК. Ця форма регуляції, звана епігенетичною регуляцією, виникає ще до початку транскрипції.
16.4: Регуляція генів транскрипції еукаріотичної
Як і прокаріотичні клітини, транскрипція генів у еукаріотів вимагає дії РНК-полімерази для зв'язування з послідовністю вище за течією гена, щоб ініціювати транскрипцію. Однак, на відміну від прокаріотичних клітин, еукаріотична РНК-полімераза вимагає інших білків або факторів транскрипції для полегшення ініціації транскрипції. Фактори транскрипції - це білки, які зв'язуються з послідовністю промоторів та іншими регуляторними послідовностями для контролю транскрипції гена-мішені.
16.5: Еукаріотична пост-транскрипційна регуляція генів
РНК транскрибується, але повинна бути перероблена в зрілу форму, перш ніж переклад може початися. Ця обробка після транскрипції молекули РНК, але перед тим, як вона буде переведена в білок, називається посттранскрипційної модифікацією. Як і на епігенетичних та транскрипційних етапах обробки, цей посттранскрипційний крок також може регулюватися для контролю експресії генів у клітині. Якщо РНК не обробляти, шатунувати або переводити, то ніякого білка синтезуватися не буде.
16.6: Еукаріотична трансляційна та посттрансляційна регуляція генів
Після того як РНК транспортується в цитоплазму, вона переводиться в білок. Контроль цього процесу багато в чому залежить від молекули РНК. Як обговорювалося раніше, стабільність РНК матиме великий вплив на її перетворення в білок. Зі зміною стабільності змінюється і кількість часу, який він доступний для перекладу.
16.7: Рак та регуляція генів
Рак не є єдиним захворюванням, але включає в себе безліч різних захворювань. У ракових клітині мутації змінюють контроль клітинного циклу, і клітини не припиняють рости, як зазвичай. Мутації також можуть змінювати швидкість росту або прогресування клітини через клітинний цикл. Одним із прикладів модифікації гена, що змінює швидкість росту, є підвищене фосфорилювання цикліну В, білка, який контролює прогресування клітини через клітинний цикл і служить білком контрольної точки клітинного циклу.
16.E: Експресія генів (вправи)

Мініатюра: Нуклеосоми розташовані далеко один від одного, щоб ДНК була оголена. Фактори транскрипції можуть зв'язуватися, дозволяючи відбуватися експресія генів. (CC BY 4.0/змінено з оригіналу; OpenStax).