16.1: Регуляція експресії генів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1896

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

Навички для розвитку

Обговоріть, чому кожна клітина не виражає всіх своїх генів
Опишіть, як відбувається регуляція генів прокаріотів на транскрипційному рівні
Обговоріть, як відбувається регуляція генів еукаріотів на епігенетичному, транскрипційному, посттранскрипційному, поступальному та посттрансляційному рівнях

Щоб клітина функціонувала належним чином, необхідні білки повинні бути синтезовані в належний час. Всі клітини контролюють або регулюють синтез білків з інформації, закодованої в їх ДНК. Процес включення гена для отримання РНК і білка називається експресією генів. Будь то в простому одноклітинному організмі або складному багатоклітинному організмі, кожна клітина контролює, коли і як виражаються її гени. Щоб це сталося, повинен бути механізм контролю, коли ген виражається, щоб зробити РНК і білок, скільки білка виробляється, і коли настав час припинити виробляти цей білок, оскільки він більше не потрібен.

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. Клітини повинні були б бути величезними, якби кожен білок весь час експресувався в кожній клітині.

Контроль експресії генів надзвичайно складний. Збої в цьому процесі згубні для клітини і можуть привести до розвитку багатьох захворювань, в тому числі і онкологічних.

Прокаріот проти експресії генів еукаріотів

Щоб зрозуміти, як регулюється експресія генів, ми повинні спочатку зрозуміти, як ген кодує функціональний білок в клітині. Процес відбувається як в прокаріотичних, так і в еукаріотичних клітині, просто дещо різними способами.

Прокаріотичні організми - це одноклітинні організми, яким не вистачає клітинного ядра, і тому їх ДНК вільно плаває в цитоплазмі клітин. Для синтезу білка процеси транскрипції і трансляції відбуваються практично одночасно. Коли отриманий білок більше не потрібен, транскрипція припиняється. В результаті первинним методом контролю того, який тип білка і скільки кожного білка експресується в прокаріотичній клітині, є регуляція транскрипції ДНК. Всі наступні кроки відбуваються автоматично. Коли потрібно більше білка, відбувається більше транскрипції. Тому в прокаріотичних клітині контроль експресії генів відбувається здебільшого на транскрипційному рівні.

Еукаріотичні клітини, навпаки, мають внутрішньоклітинні органели, які додають їх складності. У клітині еукаріот ДНК міститься всередині ядра клітини і там вона транскрибується в РНК. Нещодавно синтезована РНК потім транспортується з ядра в цитоплазму, де рибосоми переводять РНК в білок. Процеси транскрипції і трансляції фізично розділені ядерною мембраною; транскрипція відбувається тільки всередині ядра, а трансляція відбувається тільки поза ядра в цитоплазмі. Регуляція експресії генів може відбуватися на всіх стадіях процесу (рис.\(\PageIndex{1}\)). Регуляція може відбуватися при розкручуванні ДНК і розпушуванні з нуклеосом для зв'язування факторів транскрипції (епігенетичний рівень), коли РНК транскрибується (транскрипційний рівень), коли РНК обробляється і експортується в цитоплазму після її транскрипції (посттранскрипційний рівень ), коли РНК перекладається на білок (поступальний рівень), або після того, як білок був зроблений (посттрансляційний рівень).

Прокаріотичні клітини не мають ядра, а ДНК розташовується в цитоплазмі. Рибосоми прикріплюються до мРНК, коли вона транскрибується з ДНК. Таким чином, транскрипція і переклад відбуваються одночасно. У клітинах-еукаріотів ДНК розташовується в ядрі, а рибосоми - в цитоплазмі. Після транскрибування попередньо мРНК обробляється в ядрі, щоб зробити зрілу мРНК, яка потім експортується в цитоплазму, де з нею асоціюються рибосоми і починається трансляція. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Прокаріотична транскрипція і трансляція відбуваються одночасно в цитоплазмі, а регуляція відбувається на транскрипційному рівні. Експресія гена еукаріотів регулюється при транскрипції і обробці РНК, які відбуваються в ядрі, і під час трансляції білка, який відбувається в цитоплазмі. Подальша регуляція може відбуватися за допомогою посттрансляційних модифікацій білків.

Відмінності в регуляції експресії генів між прокаріотами та еукаріотами узагальнені нижче. Регуляція експресії генів детально розглядається в наступних модулів.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Відмінності регуляції експресії генів прокаріотичних та еукаріотичних організмів

прокаріотичні організми	еукаріотичні організми
Відсутність ядра	Містять ядро
ДНК виявляється в цитоплазмі	ДНК обмежується ядерним відсіком
Транскрипція РНК і утворення білка відбуваються практично одночасно	Транскрипція РНК відбувається до утворення білка, і вона відбувається в ядрі. Переклад РНК в білок відбувається в цитоплазмі.
Експресія генів регулюється насамперед на транскрипційному рівні	Експресія генів регулюється на багатьох рівнях (епігенетичний, транскрипційний, ядерний шаттлінг, посттранскрипційний, поступальний та посттрансляційний)

Еволюційний зв'язок: еволюція генної регуляції

Прокаріотичні клітини можуть регулювати експресію генів лише шляхом контролю кількості транскрипції. У міру еволюції еукаріотичних клітин складність контролю експресії генів зростала. Наприклад, з еволюцією еукаріотичних клітин прийшла компартменталізація важливих клітинних компонентів і клітинних процесів. Утворилася ядерна область, яка містить ДНК. Транскрипція і переклад були фізично розділені на два різних стільникових відсіки. Тому стало можливим контролювати експресію генів шляхом регулювання транскрипції в ядрі, а також шляхом контролю рівня РНК та трансляції білка, присутніх поза ядром.

Деякі клітинні процеси виникли через необхідність організму захищатися. Клітинні процеси, такі як глушіння генів, розроблені для захисту клітини від вірусних або паразитарних інфекцій. Якби клітина могла швидко відключити експресію генів на короткий проміжок часу, вона змогла б пережити інфекцію, коли інші організми не могли б. Тому в організмі розвинувся новий процес, який допоміг йому вижити, і він зміг передати цю нову розробку потомству.

Резюме

Хоча всі соматичні клітини в організмі містять однакову ДНК, не всі клітини цього організму експресують однакові білки. Прокаріотичні організми експресують всю ДНК, яку вони кодують в кожній клітині, але не обов'язково все одночасно. Білки виражаються тільки тоді, коли вони необхідні. Еукаріотичні організми виражають підмножину ДНК, яка закодована в будь-якій даній клітині. У кожному типі клітин тип і кількість білка регулюється шляхом контролю експресії генів. Для експресії білка ДНК спочатку транскрибується в РНК, яка потім перекладається в білки. У прокаріотичних клітині ці процеси відбуваються практично одночасно. У клітині еукаріот транскрипція відбувається в ядрі і відокремлена від трансляції, що відбувається в цитоплазмі. Експресія генів у прокаріотів регулюється тільки на транскрипційному рівні, тоді як в еукаріотичних клітині експресія генів регулюється на епігенетичному, транскрипційному, посттранскрипційному, поступальному і посттрансляційному рівнях.

Глосарій

епігенетичний: спадкові зміни, які не передбачають зміни послідовності ДНК

експресія генів: процеси, які керують включенням або виключенням гена

після транскрипції: контроль експресії генів після створення молекули РНК, але до того, як вона буде переведена на білок

посттрансляційний: контроль експресії генів після створення білка