16.3: Еукаріотична епігенетична регуляція генів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1889

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

Навички для розвитку

Поясніть процес епігенетичної регуляції
Опишіть, як доступ до ДНК контролюється модифікацією гістонів

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.

Епігенетичний контроль: регулювання доступу до генів всередині хромосоми

Геном людини кодує понад 20 000 генів; кожна з 23 пар хромосом людини кодує тисячі генів. ДНК в ядрі точно намотана, згорнута і ущільнена в хромосоми так, що вона впишеться в ядро. Він також організований таким чином, що конкретні сегменти можуть бути доступні в міру необхідності для певного типу комірки.

Перший рівень організації, або упаковки, - це обмотка ниток ДНК навколо гістонових білків. Гістони упаковують і впорядковують ДНК в структурні одиниці, звані нуклеосомними комплексами, які можуть контролювати доступ білків до областей ДНК (рис\(\PageIndex{1}\). Під електронним мікроскопом ця обмотка ДНК навколо гістонових білків з утворенням нуклеосом виглядає як маленькі кульки на нитці (рис.\(\PageIndex{1}\) Б). Ці кульки (білки гістону) можуть переміщатися по нитці (ДНК) і змінювати структуру молекули.

Частина А зображує нуклеосому, що складається з сферичних білків гістонів, які злиті разом. Дволанцюгова спіраль ДНК двічі обертається навколо нуклеосоми. Вільна ДНК простягається з будь-якого кінця нуклеосоми. Частина В - це електронна мікрофотографія ДНК, яка пов'язана з нуклеосомами. Кожна нуклеосома схожа на намистинку. Намистини з'єднуються між собою вільною ДНК. Дев'ять намистин нанизані разом приблизно 150 мм в поперечнику. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): ДНК складається навколо гістонових білків для створення (а) нуклеосомних комплексів. Ці нуклеосоми контролюють доступ білків до основної ДНК. При огляді через електронний мікроскоп (б) нуклеосоми виглядають як намистини на нитці. (Кредит «мікрофотографія»: модифікація роботи Кріса Вудкока)

Якщо ДНК, що кодує конкретний ген, транскрибується в РНК, нуклеосоми, що оточують цю область ДНК, можуть ковзати вниз по ДНК, щоб відкрити цю специфічну хромосомну область і дозволити транскрипційним механізмам (РНК-полімераза) ініціювати транскрипцію (рис.\(\PageIndex{2}\)). Нуклеосоми можуть рухатися, щоб відкрити структуру хромосоми, щоб оголити сегмент ДНК, але робити це дуже контрольовано.

Мистецтво З'єднання

Нуклеосоми зображуються у вигляді колесоподібних структур. Нуклеосоми складаються з гістонів і мають ДНК, обгорнуту зовні. Кожен гістоун має хвіст, який випирає з колеса. Коли ДНК та хвости гістонів метилюються, нуклеосоми щільно упаковуються разом, тому немає вільної ДНК. Фактори транскрипції не можуть зв'язуватися, а гени не виражені. Ацетилювання хвостів гістону призводить до більш пухкої упаковки нуклеосом. Вільна ДНК піддається впливу між нуклеосомами, і фактори транскрипції здатні зв'язувати гени на цій оголеній ДНК. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Нуклеосоми можуть ковзати по ДНК. Коли нуклеосоми розташовані близько один до одного (зверху), фактори транскрипції не можуть зв'язуватися і експресія генів вимикається. Коли нуклеосоми розташовані далеко один від одного (знизу), ДНК оголюється. Фактори транскрипції можуть зв'язуватися, дозволяючи відбуватися експресія генів. Модифікації гістонів та ДНК впливають на інтервал нуклеосом.

У самок одна з двох Х-хромосом інактивується під час ембріонального розвитку через епігенетичні зміни хроматину. Як ви думаєте, який вплив матимуть ці зміни на упаковку нуклеосом?

Як рухаються білки гістону, залежить від сигналів, знайдених як на білки гістону, так і на ДНК. Ці сигнали є тегами, доданими до білків гістонів і ДНК, які повідомляють гістонам, якщо хромосомна область повинна бути відкритою або закритою (рис.\(\PageIndex{3}\)) зображує модифікації гістонових білків і ДНК). Ці теги не є постійними, але їх можна додавати або видаляти за потребою. Вони являють собою хімічні модифікації (фосфатні, метилові або ацетильні групи), які приєднуються до специфічних амінокислот в білку або до нуклеотидів ДНК. Мітки не змінюють базову послідовність ДНК, але вони змінюють, наскільки щільно намотана ДНК навколо білків гістонів. ДНК - це негативно заряджена молекула, тому зміни заряду гістону змінять, наскільки щільно намотана молекула ДНК. При немодифікації білки гістону мають великий позитивний заряд; додаючи хімічні модифікації, такі як ацетильні групи, заряд стає менш позитивним.

Сама молекула ДНК також може бути модифікована. Це відбувається в дуже специфічних регіонах, які називаються островами CpG. Це розтяжки з високою частотою цитозину і гуанін-динуклеотидних пар ДНК (CG), виявлених в промоторних областях генів. Коли така конфігурація існує, цитозиновий член пари може бути метильований (додається метильна група). Ця модифікація змінює спосіб взаємодії ДНК з білками, включаючи білки гістонів, які контролюють доступ до регіону. Високо метильовані (гіперметильовані) ділянки ДНК з деацетильованими гістонами щільно згорнуті і транскрипційно неактивні.

На ілюстрації показана хромосома, яка частково розплутається і збільшена, виявляючи гістонові білки, намотані навколо подвійної спіралі ДНК. Гістони - це білки, навколо яких накручується ДНК для ущільнення та регуляції генів. Метилювання ДНК та хімічна модифікація хвостів гістонів відомі як епігенетичні зміни. Епігенетичні зміни змінюють інтервал нуклеосом і змінюють експресію генів. Епігенетичні зміни можуть бути наслідком розвитку, внутрішньоутробно або в дитинстві, екологічних хімічних речовин, наркотиків, старіння або дієти. Епігенетичні зміни можуть призвести до раку, аутоімунних захворювань, психічних розладів та діабету. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Білки гістону та нуклеотиди ДНК можуть бути модифіковані хімічним шляхом. Модифікації впливають на інтервал нуклеосом і експресію генів. (Кредит: модифікація роботи NIH)

Цей тип генної регуляції називається епігенетичною регуляцією. Епігенетичне означає «навколо генетики». Зміни, що відбуваються з білками гістону та ДНК, не змінюють послідовність нуклеотидів і не є постійними. Натомість ці зміни є тимчасовими (хоча вони часто зберігаються через кілька раундів поділу клітин) і змінюють хромосомну структуру (відкриту або закриту) у міру необхідності. Ген може бути включений або вимкнений залежно від розташування та модифікацій білків гістонів та ДНК. Якщо ген повинен бути транскрибований, білки гістонів і ДНК модифікуються навколо хромосомної області, що кодує цей ген. Це відкриває хромосомну область, щоб забезпечити доступ до РНК-полімерази та інших білків, званих факторами транскрипції, для зв'язування з промоторною областю, розташованою безпосередньо вище за течією гена, і ініціювати транскрипцію. Якщо ген залишиться вимкненим або замовченим, білки гістону та ДНК мають різні модифікації, які сигналізують про закриту хромосомну конфігурацію. У цій закритій конфігурації РНК-полімераза та фактори транскрипції не мають доступу до ДНК, і транскрипція не може відбуватися (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Посилання на навчання

Перегляньте це відео, яке описує, як епігенетична регуляція контролює експресію генів.

Резюме

У клітинах-еукаріотів перший етап контролю експресії генів відбувається на епігенетичному рівні. Епігенетичні механізми контролюють доступ до хромосомної області, щоб гени могли бути включені або виключені. Ці механізми контролюють, як ДНК упаковується в ядро, регулюючи, наскільки щільно ДНК намотується навколо гістонових білків. Додавання або видалення хімічних модифікацій (або прапорів) гістонових білків або ДНК сигналізує клітині відкрити або закрити хромосомну область. Тому еукаріотичні клітини можуть контролювати, чи виражається ген, контролюючи доступність факторів транскрипції та зв'язування РНК-полімерази для початку транскрипції.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{2}\): У самок одна з двох Х-хромосом інактивується під час ембріонального розвитку через епігенетичні зміни хроматину. Як ви думаєте, який вплив матимуть ці зміни на упаковку нуклеосом?

Відповідь: Нуклеосоми будуть щільніше упаковувати один до одного.

Глосарій

фактор транскрипції: білок, який зв'язується з ДНК в області промотора або підсилювача і впливає на транскрипцію гена