9.5: Як регулюються гени
- Page ID
- 509
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).
Відмінності в регуляції експресії генів між прокаріотами і еукаріотами зведені в табл \(\PageIndex{1}\).
Прокаріотичні організми | Еукаріотичні організми |
---|---|
Відсутність ядра | Містять ядро |
Транскрипція РНК і трансляція білка відбуваються майже одночасно |
|
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.
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