Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

9.5: Як регулюються гени

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    509

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

    Щоб клітина нормально функціонувала, необхідні білки повинні бути синтезовані в належний час. Всі організми і клітини контролюють або регулюють транскрипцію і переклад їх ДНК в білок. Процес включення гена для вироблення РНК і білка називається експресією генів. Будь то в простому одноклітинному організмі або в складному багатоклітинному організмі, кожна клітина контролює, коли і як виражаються її гени. Щоб це сталося, повинен існувати 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.

    Клітини в багатоклітинних організмах спеціалізовані; клітини в різних тканинах виглядають дуже по-різному і виконують різні функції. Наприклад, м'язова клітина сильно відрізняється від клітини печінки, яка сильно відрізняється від клітини шкіри. Ці відмінності є наслідком експресії різних наборів генів у кожній з цих клітин. Всі клітини мають певні основні функції, які вони повинні виконувати для себе, такі як перетворення енергії в молекулах цукру в енергію в АТФ. Кожна клітина також має багато генів, які не виражені, і виражає багато, які не виражені іншими клітинами, такі, що вона може виконувати свої спеціалізовані функції. Крім того, клітини будуть включати або вимикати певні гени в різний час у відповідь на зміни навколишнього середовища або в різний час під час розвитку організму. Одноклітинні організми, як еукаріотичні, так і прокаріотичні, також включають і вимикають гени у відповідь на потреби свого середовища, щоб вони могли реагувати на особливі умови.

    Контроль експресії генів надзвичайно складний. Збої в цьому процесі згубно впливають на клітину і можуть привести до розвитку багатьох захворювань, в тому числі і раку.

    Прокаріотичний проти експресії генів еукаріотів

    Щоб зрозуміти, як регулюється експресія генів, ми повинні спочатку зрозуміти, як ген стає функціональним білком в клітині. Процес відбувається як в прокаріотичних, так і в еукаріотичних клітинам, просто дещо різними способами.

    Оскільки прокаріотичні організми позбавлені клітинного ядра, процеси транскрипції і трансляції відбуваються практично одночасно. Коли білок більше не потрібен, транскрипція припиняється. В результаті первинним методом контролю того, який тип і скільки білка виражається в прокаріотичної клітині, є регуляція транскрипції ДНК в РНК. Всі наступні кроки відбуваються автоматично. Коли потрібно більше білка, відбувається більше транскрипції. Тому у прокаріотичних клітин контроль експресії генів майже повністю знаходиться на транскрипційному рівні.

    Перший приклад такого контролю був виявлений за допомогою Е. coli в 1950-х і 1960-х роках французькими дослідниками і називається лак-опероном . Лак-оперон - це ділянка ДНК з трьома сусідніми генами, які кодують білки, які беруть участь у всмоктуванні та метаболізмі лактози, джерела їжі для Е . паличка. Коли лактоза відсутня в середовищі бактерії, гени лаку транскрибуються в невеликих кількостях. Коли лактоза присутня, гени транскрибуються, і бактерія здатна використовувати лактозу як джерело їжі. Оперон також містить послідовність промоторів, до якої РНК-полімераза зв'язується, щоб почати транскрипцію; між промоутером і трьома генами знаходиться область, яка називається оператором. Коли лактози немає, білок, відомий як репресор, зв'язується з оператором і запобігає зв'язуванню РНК-полімерази з промотором, за винятком рідкісних випадків. Таким чином, дуже мало білкових продуктів з трьох генів виробляється. При наявності лактози кінцевий продукт метаболізму лактози зв'язується з репресорним білком і перешкоджає його зв'язуванню з оператором. Це дозволяє РНК-полімеразі зв'язуватися з промотором і вільно транскрибувати три гени, дозволяючи організму метаболізувати лактозу.

    Еукаріотичні клітини, навпаки, мають внутрішньоклітинні органели і набагато складніше. Нагадаємо, що в клітинах-еукаріотах ДНК міститься всередині ядра клітини і вона там транскрибується в мРНК. Потім знову синтезована мРНК транспортується з ядра в цитоплазму, де рибосоми переводять мРНК в білок. Процеси транскрипції і трансляції фізично розділені ядерною мембраною; транскрипція відбувається тільки всередині ядра, а трансляція відбувається тільки за межі ядра в цитоплазмі. Регуляція експресії генів може відбуватися на всіх стадіях процесу (рис. \(\PageIndex{1}\)). Регуляція може відбуватися, коли ДНК розкручується і розпушується 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 в білок (поступальний рівень), або після того, як білок був зроблений (посттрансляційний рівень).

    На ілюстрації показані етапи синтезу білка в три етапи: транскрипція, обробка РНК та переклад. У транскрипції ланцюг РНК синтезується РНК-полімеразою у напрямку 5' до 3'. При обробці РНК показано первинну розшифровку РНК з трьома екзонами та двома інтронами. У зрощеній розшифровці інтрони видаляються, а екзони зливаються між собою. Також були додані 5-дюймовий ковпачок та хвіст Poly-A. У перекладі ініціатор тРНК розпізнає послідовність AUG на мРНК, яка пов'язана з малою рибосомальною субодиницею. Велика субодиниця приєднується до комплексу. Далі набирається друга тРНК на майданчику А. Пептидний зв'язок утворюється між першою амінокислотою, яка знаходиться на ділянці Р, і другий амінокислотою, яка знаходиться на ділянці А. Потім мРНК зміщується, і перша тРНК переміщується на ділянку Е, де вона від'єднується від рибосоми. Ще тРНК пов'язує ділянку А, і процес повторюється.
    Малюнок \(\PageIndex{1}\): Еукаріотична експресія генів регулюється при транскрипції та обробці РНК, які відбуваються в ядрі, а також під час трансляції білка, яка відбувається в цитоплазмі. Подальша регуляція може відбуватися за допомогою посттрансляційних модифікацій білків.

    Відмінності в регуляції експресії генів між прокаріотами і еукаріотами зведені в табл \(\PageIndex{1}\).

    Таблиця \(\PageIndex{1}\): Відмінності регуляції експресії генів прокаріотичних і еукаріотичних організмів
    Прокаріотичні організми Еукаріотичні організми
    Відсутність ядра Містять ядро
    Транскрипція РНК і трансляція білка відбуваються майже одночасно
    • Транскрипція РНК відбувається до трансляції білка, і вона відбувається в ядрі. Переклад РНК на білок відбувається в цитоплазмі.
    • Пост-обробка РНК включає додавання 5-ти ковпачка, полі-хвоста та висічення інтронів та зрощування екзонів.
    Експресія генів регулюється в першу чергу на транскрипційному рівні Експресія генів регулюється на багатьох рівнях (епігенетичному, транскрипційному, посттранскрипційному, трансляційному та посттрансляційному)

    ЕВОЛЮЦІЯ В ДІЇ: Альтернативне зрощування РНК

    У 1970-х роках вперше спостерігалися гени, які демонстрували альтернативне зрощування РНК. Альтернативне зрощування РНК - механізм, що дозволяє виробляти різні білкові продукти з одного гена при видаленні з розшифровки різних комбінацій інтронів (а іноді і екзонів) (рис. \(\PageIndex{2}\)). Це альтернативне зрощування може бути безсистемним, але частіше воно контролюється і виступає механізмом генної регуляції, з частотою різних альтернатив зрощування, контрольованих клітиною, як спосіб контролю виробництва різних білкових продуктів в різних клітині, або на різних стадіях розвиток. Альтернативне зрощування в даний час розуміється як загальний механізм регуляції генів у еукаріотів; за однією оцінкою, 70% генів у людини виражаються у вигляді множинних білків шляхом альтернативного зрощування.

    Ілюстрація сегментів попередньої мРНК з екзонами, показаними синім, червоним, помаранчевим та рожевим кольором. П'ять основних режимів альтернативного зрощування є загальновизнаними. Кожен сегмент попередньої мРНК можна зрощувати для отримання різноманітних нових зрілих сегментів мРНК; тут показано два для кожного. У разі пропуску екзону екзон може бути зрощений або збережений. У разі взаємовиключних екзонів один з двох екзонів зберігається в мРНК після зрощування, але не обидва. У випадку альтернативного сайту-донора використовується альтернативний 5-дюймовий з'єднувальний вузол (сайт донора), змінюючи 3' кордон exon upstream. У випадку альтернативної ділянки акцептора використовується альтернативний 3-дюймовий спайсинговий перехід (вузол акцептора), змінюючи 5' кордон нижчого за течією екзону. У разі утримання інтрону послідовність може бути зрощена як інтрон або просто збережена. Це відрізняється від пропуску exon, оскільки збережена послідовність не оточена інтронами. Рожева частина вважається інтроном при пропуску (зверху) і екзоном при включенні (знизу).
    Малюнок \(\PageIndex{2}\): Існує п'ять основних режимів альтернативного зрощування. Сегменти попередньої мРНК з екзонами, показаними синім, червоним, помаранчевим та рожевим кольором, можуть бути зрощені для отримання різноманітних нових зрілих сегментів мРНК.

    Як могло розвиватися альтернативне зрощування? Внутрішні мають послідовність розпізнавання початку та закінчення, і легко уявити провал механізму зрощування, щоб визначити кінець інтрона і знайти кінець наступного інтрона, видаливши таким чином два інтрони та інтервенційний екзон. Насправді існують механізми запобігання пропуску такого екзона, але мутації, швидше за все, призведуть до їх виходу з ладу. Такі «помилки» більш ніж ймовірно вироблять нефункціональний білок. Дійсно, причиною багатьох генетичних захворювань є альтернативне зрощування, а не мутації в послідовності. Однак альтернативне зрощування створить білковий варіант без втрати вихідного білка, відкривши можливості для адаптації нового варіанту до нових функцій. Дублювання генів зіграло важливу роль в еволюції нових функцій подібним чином - надаючи гени, які можуть розвиватися без усунення вихідного функціонального білка.

    Резюме

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

    Глосарій

    альтернативне зрощування РНК
    механізм пост-транскрипційної генної регуляції в еукаріотів, в якому кілька білкових продуктів виробляються одним геном за допомогою альтернативних комбінацій зрощування розшифровки РНК
    епігенетичний
    описують негенетичні регуляторні фактори, такі як зміни модифікацій гістонових білків та ДНК, які контролюють доступність генів у хромосомах
    експресія генів
    процеси, які контролюють, чи виражений ген
    пост-транскрипційний
    контроль експресії генів після створення молекули РНК, але до її перекладу на білок
    пост-трансляційний
    контроль експресії генів після створення білка

    Дописувачі та атрибуції