Дифференцировка клеток и типы генов
Клетки человеческого организма невероятно разнообразны: их насчитывается более двухсот типов. Они кардинально отличаются друг от друга по структуре и функциям, хотя количество и структура генетического материала во всех клетках практически одинаковы. Секрет такой специализации тканей кроется в экспрессии генов. В каждой ткани транскрибируется лишь строго определенный набор участков хроматина, тогда как остальные подвергаются стойкой репрессии. Выключение части генов на протяжении всей жизни организма — ключевой механизм клеточной дифференцировки.
По характеру активности все гены делятся на две группы:
- Гены «домашнего хозяйства». Кодируют белки, необходимые для жизнеспособности клетки (ферменты биологического окисления, компоненты мембран, системы синтеза АТФ). Их транскрипция идет непрерывно и с постоянной скоростью.
- Регулируемые гены. Их активность гибко подстраивается под меняющиеся условия внутренней и внешней среды.
В отличие от прокариот, адаптивная регуляция у эукариот реагирует на огромное многообразие сигналов, которые контролируют не только запуск процесса, но и частоту транскрипции.
Инициация и контроль скорости транскрипции
Процесс синтеза мРНК начинается с формирования инициаторного комплекса. Ключевую роль играет особая последовательность промотора — TATA-box (ТАТА-участок). К ней присоединяется специфический ТАТА-связывающий белок. Затем белковые факторы транскрипции обеспечивают взаимодействие этого белка с РНК-полимеразой. Собранный комплекс точно определяет стартовую точку транскрипции.
Выделяют два уровня интенсивности синтеза:
- Минимальный (базальный) синтез. Возможен сразу после связывания РНК-полимеразы с базовой группой обязательных транскрипционных факторов.
- Регулируемый синтез. Изменение скорости зависит от связывания специфических регуляторных белков с особыми участками ДНК. Эти белки дистанционно взаимодействуют с транскрипционным комплексом, ускоряя или замедляя его работу.
Структура области регуляции и передача сигнала
Область регуляции включает промотор и дополнительные последовательности. Их число и расположение строго тканеспецифичны. Они могут находиться на огромном удалении (за тысячи нуклеотидных пар) от стартовой точки: впереди гена, позади него или внутри.
Ключевые регуляторные элементы:
- Энхансеры (усилители). Присоединение к ним белков приводит к возрастанию скорости транскрипции.
- Сайленсеры (тушители). Участки для белков-репрессоров, блокирующих процесс синтеза.
- Гормон-чувствительные и специфические последовательности (например, GC и CAAT). Связывая комплексы с гормонами или метаболитами, они влияют на конформацию гена.
Механизм передачи сигнала представляет собой эстафету: регуляторные белки связываются с ДНК, затем взаимодействуют с белками-посредниками (коактиваторами). От них сигнал передается на основные транскрипционные факторы и РНК-полимеразу.
Дополнительные уровни регуляции
Контроль над составом и содержанием белков не заканчивается на уровне инициации транскрипции. Эукариоты используют многоступенчатую систему контроля:
- Процессинг РНК. Включает посттранскрипционные превращения пре-мРНК, в том числе альтернативный сплайсинг.
- Стабильность РНК. Динамическое изменение времени жизни матричной РНК в разные периоды жизни клетки.
- Трансляционный контроль. Влияние факторов среды на сродство рибосом к мРНК.
- Посттрансляционные модификации. Изменение химической структуры уже синтезированных полипептидных цепей.
- Контроль продолжительности жизни белка. Регуляция времени существования готовых белковых молекул.
Чтобы запомнить элементы ДНК, влияющие на скорость: Энхансеры — Энергично ускоряют (от англ. enhance — усиливать), Сайленсеры — Снижают скорость и заставляют «замолчать» (от англ. silence — тишина).
Вопросы с занятий и экзамена
Чем гены «домашнего хозяйства» отличаются от регулируемых генов?
Гены «домашнего хозяйства» транскрибируются непрерывно и с постоянной скоростью, обеспечивая базовую жизнедеятельность клетки. Регулируемые гены меняют свою активность только в ответ на конкретные сигналы внешней или внутренней среды.
Как энхансеры влияют на скорость транскрипции, если находятся очень далеко от гена?
Специфические регуляторные белки связываются с энхансерами и через белки-коактиваторы взаимодействуют с РНК-полимеразой. Это взаимодействие часто сопровождается изменением конформации (изгибом) самой молекулы ДНК, что позволяет сблизить удаленные участки.
Почему клетки разных тканей выглядят и функционируют по-разному при одинаковой ДНК?
Из-за механизма стойкой репрессии. В клетках каждой ткани транскрибируются только строго определенные участки хроматина, а остальные гены стабильно выключены на протяжении всей жизни организма.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм формирования инициаторного комплекса и роль ТАТА-связывающего белка.
- Альтернативный сплайсинг как способ получения нескольких белков с одного гена.
- Влияние метаболитов и гормонов на конформацию регуляторных участков ДНК.
- Роль коактиваторов в передаче сигнала на РНК-полимеразный комплекс.
- Виды посттрансляционных химических модификаций полипептидных цепей.
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Регуляция экспрессии генов у эукариот» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.