Регуляция экспрессии генов

имени академика Е.Н.Павловского
ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ

и эукариот.

изменяющимся условиям окружающей среды. Отражением этого служит то, что

лишь небольшая часть белков, которые закодированы в генах клетки или организма синтезируются ими в данное время.

– кодирующих генов, однако в каждый данный момент в клетке

синтезируется и активно функционирует не более 600-800 белков, необходимых ей для обеспечения жизнедеятельности в конкретных условиях. Остальные гены находятся в репрессированном, «выключенном» состоянии и их «включение» осуществляется лишь в ответ на изменения, возникающие в окружающей среде.

и специализации клеток многоклеточных организмов в ходе их развития.

генов в клетках, относящихся к разным типам. В результате, несмотря

на наличие общей генетической программы и единого генома во всех клетках организма, каждый тип клеток характеризуется своим уникальным набором активно функционирующих белков и, как следствие этого, присущими только ему морфологическими и функциональными признаками.

большую роль играют гены-регуляторы, контролирующие синтез регуляторных белков.

По своим функциям различают два вида регуляторных белков: белки - репрессоры и белки – активаторы, или апоиндукторы.

полинуклеотидным последовательностям гена ( оперона), препятствуют присоединению РНК - полимеразы

к промотору и снижают уровень транскрипции.
Регуляция активности генов на основе белков-репрессоров называется негативной.

( оперона) облегчают связывание РНК-полимеразы с промотором и стимулируют транскрипцию.

Регуляция действия генов с помощью белков-активаторов называется позитивной регуляцией.

эффекторам относятся вещества небелковой природы, которые, взаимодействуя с регуляторными белками,

изменяют их биологическую активность.
Различают два вида эффекторов: индукторы, «включающие» транскрипцию, и корепрессоры, «выключающие» ее.

Объединение разных генов в один оперон позволяет осуществлять координированный контроль

экспрессии генов, путем одновременного их «включения» или «выключения».

элементы:
структурные гены, кодирующие белки ферменты: галактозидазу, пермеазу и

трансацетилазу, участвующие в метаболизме лактозы и транспорте ее в клетку;
промотор - последовательность нуклеотидов, с которой связывается РНК полимераза;
оператор - последовательность нуклеотидов для связывания белка- репрессора;
последовательность нуклеотидов для связывания белка активатора;
терминатор- последовательность нуклеотидов, которая служит сигналом окончания транскрипции.

Промотор Оператор Гены оперона
Ген регулятор

ДНК

Белок

РНК полимераза

Белок

ДНК

РНК

Аллолактоза индуктор

Неактивный репрессор

а) Лактозы нет, репрессор активен, оперон «выключен»

а) Лактоза имеется, репрессор неактивен, оперон «включен»

В- галактозидаза

РНК полимераза

Пермеаза

Трансацетилаза

СRP связывающий участок

lac-оперона синтезирует активный белок-репрессор, который, взаимодействуя с оператором, «выключает» транскрипцию

структурных генов, кодирующих ферменты, необходимые для усвоения лактозы.
Если клетки E.coli перенести на среду, содержащую только лактозу, то проникая внутрь клеток небольшая часть ее превращается в аллолактозу. Аллолактоза, связываясь с белком репрессором, инактивирует его. В результате РНК-полимераза осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК для синтеза всех ферментов, необходимых для транспорта и метаболизма лактозы . В данном случае осуществляется регуляция активности генов lac-оперона на основе негативной индукции. При этом аллолактоза служит индуктором генов lac-оперона, кодирующих белки, участвующие в транспорте и метаболизме лактозы. Опероны, регулируемые подобным образом, получили название индуцибельных, или индуцируемых оперонов.

Промотор Оператор Гены

оперона

ДНК

ДНК

Промотор Оператор Гены оперона

а) Лактоза присутствует, глюкоза отсутствует, уровень цАМФ высокий: Lac мРНК синтезируется много

б) Лактоза присутствует, глюкоза присутствует(уровень цАМФ низкий): Lac мРНК синтезируется мало

РНК полимераза

Неактивный Lac репрессор

Неактивный Lac репрессор

РНК полимераза

цАМФ

цАМФ

СRP связывающий участок

СRP связывающий участок

СRP

СRP

Регуляция lac-оперона посредством позитивной индукции

и глюкозу бактерии утилизируют только глюкозу. Подобная избирательность в выборе

субстрата обусловливается наличием у Е. соli механизма положительной регуляции активности генов lac-оперона . Роль активатора lac-оперона играет СRP –белок, который сам по себе неактивен и не может связываться с регуляторными последовательностями ДНК промотора. Эту способность СRP-белок приобретает лишь в комплексе с низко молекулярным соединением - циклическим аденозин монофосфатом (цАМФ), который накапливается в клетках кишечной палочки при отсутствии в культуральной среде, где они выращиваются, глюкозы.* Белок CRP в составе комплекса с цАМФ взаимодействует с регуляторной последовательностью ДНК промотора и облегчает присоединение к нему РНК-полимеразы, стимулируя тем самым транскрипцию генов, кодирующих ферменты, участвующие в утилизации лактозы. В то же время, при наличии в среде глюкозы и лактозы гены lac-оперона практически не транскрибируются. Это связано с низким аффинитетом фермента РНК-полимеразы к промотору lac-оперона, который способен связываться с промотором лишь при наличии активного активатора.

свой метаболизм в изменяющихся условиях среды, поскольку содержимое кишечника человека,

где эта бактерия обитает, характеризуется большим непостоянством, но и осуществлять биологически оправданный выбор субстрата для реакции брожения.

палочки утилизируют только глюкозу, достигая этим наиболее экономного расходования имеющихся

у них энергетических ресурсов. Объясняется это тем, что в отличие от глюкозы, использование в качестве энергетического субстрата лактозы, требует предварительного расщепления молочного сахара на глюкозу и галактозу, что сопряжено с дополнительными затратами энергии.

основе негативной индукции, но и посредством негативной репрессии. Примером такой

регуляции служит функционирование триптофанового (trp) оперона, содержащего 5 структурных генов, кодирующих ферменты, необходимые для синтеза аминокислоты триптофана из ее предшественников.

корепрессор

РНК
Активный репрессор

ДНК
б)Триптофан имеется, репрессор активен, оперон «выключен»

Триптофановый оперон

Промотор Оператор Гены оперона

Нективный репрессор

ДНК

РНК

Белок

Регуляция trp-оперона посредством негативной репресии

в клетке E. coli возникает избыток триптофана, например, в результате

снижения скорости синтеза белков клеткой, то триптофан, действуя как корепрессор, связывается с белком-репрессором и активирует его. Активированный белок-репрессор взаимодействует с оператором и «выключает» оперон. В результате синтез триптофана прекращается.

генов возможна лишь при декомпактизации хроматина;
регуляция экспрессии генов у

эукариот осуществляется на предтранскрипционном этапе, в ходе транскрипции и на всех других этапах процесса реализации генетической информации, заключенной в гене: посттранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном;
активность каждого структурного гена контролируется многими генами-регуляторами, а эффекторами часто служат гормоны.

гистоновых белков;

Изменение химической структуры ДНК:
- метилирование цитозиновых оснований ДНК;

модификации хроматина связанной с химическими преобразованиями белков-гистонов( ацетилирование, метилирование, фосфорилирование,

убиквитинилирование и др) , а также нулеотидов молекулы ДНК ( метилирование цитозиновых оснований).

- аминокислоты, доступные для химической
модификации; 3-ДНК
А
Б

Декомпатизация хроматина при ацетилировании

гистонов

том, что она является комбинационной. Это означает, что каждый эукариотический

ген имеет свою специфическую комбинацию контролирующих элементов, с которыми непосредственно связываются белки, регулирующие экспрессию гена.

координированной регуляции генов, благодаря чему достигается «включение» или «выключение» их

в определенное время.

и хрусталика

2 – активный транскрипционный фактор

времени функционирования молекул мРНК и скорости трансляции белков на рибосомах.

называемых также ARE- элементами, повышает чувствительность мРНК к расщеплению рибонуклеазами.

Например, перенос таких участков из короткоживушей мРНК фактора роста тромбоцитов в стабильные молекулы глобиновых РНК вызывает быструю деградацию последних.

получивший название интерференции, или РНК сайленсинга, связанный с недавно отрытыми

молекулами микроРНК (миРНК) и маленьких интерфирирующих РНК (си РНК).

«шпильки» из общего предшественника с образованием короткой двухцепочечной молекулы пре-миРНК

длиной ~60–70 нуклеотидов;
транспорт пре- миРНК из ядра в цитоплазму;
разрезание пре-миРНК под действием фермента дисера (от англ. dicer) на духцепочечные фрагменты, состоящие примерно из 20 пар нуклеотидов;
образование комплекса миРНК – белок (RISK)
связывание миРНК с молекулой мРНК и разрушение мРНК

трансляции.

миоглобин, цитохромы), однако ионы свободного железа токсичны для клетки. Поэтому

они связываются и переводятся в нетоксичную форму белком ферритином.
Синтез ферритина в клетке, в свою очередь, зависит от уровня свободного железа: в присутствии железа ферритин синтезируется, при недостатке железа синтез ферритина останавливается.

Регуляция железом трансляции белка ферритина

который при низкой концентрации ионов железа связывается с последовательностью, образующей

шпилечную структуру в 5'-НТО мРНК ферритина, что блокирует трансляцию.
При увеличении концентрации ионов железа аконитаза соединяется с ними и теряет способность связываться с ферритиновой мРНК. В результате на матрице ферритиновой мРНК происходит трансляция ферритина.

аконитаза

ферритин

аконитаза

Ионы железа отсутствуют. Аконитаза связывается с полинуклеотидной последовательностью, образующей шпилечную структуру в 5'-нетранслируемом участке ( лидере) ферритиновой мРНК , в результате чего трансляция ферритина блокируется.

регуляторный элемент

Регуляция железом трансляции белка ферритина

аконитаза
регуляторный элемент
Ионы железа присутствуют и соединяются с аконитазой,

в результате чего указанный белок теряет способность связываться с ферритиновой мРНК. Трансляция ферритина возобновляется.

ферритин

полипептидов;
химические модификации полипептидов ;
транспорт полипептидов к местам назначения;

избирательную деградацию белков с участием протеаз.

пределах. Одни белки выполняют свои функции на протяжении нескольких месяцев

и даже лет, тогда как другие - в течение нескольких минут или часов.

присоединения к ним белка– убиквитина, состоящего из 76 аминокислот. Белки,

несущие на себе «убиквитиновые метки», распознаются специфическими крупномолекулярными комплексами - протеосомами, и затем разрушаются в протеосомах под действием протеосомных протеаз.

экспрессии генов
у прокариот на примере lac- и trp-оперонов кишечной

палочки.
2. Объясните сущность комбинационного принципа
регуляции экспрессии генов эукариот на уровне транскрипции.
3. Объясните различие механизмов координированной
регуляции экспрессии генов на уровне транскрипции
у про- и эукариот.
4. Охарактеризуйте регуляцию экспрессии генов
у эукариот на претранскрипционном этапе,
этапе трансляции и этапе посттрансляционных
преобразований синтезированных белков .

в) посттрансляционные преобразования белков;
г) все указанные процессы.

2. Структурно-функциональные различия

между клетками
печени и клетками поджелудочной железы обусловлены
главным образом тем, что указанные клетки
а) экспрессируют разные гены;
б) содержат разные гены;
в) используют разные генетические коды;
г) имеют специфичные для них рРНК;
д) имеют специфичные для них тРНК.

с другом,
а репрессируются независимо друг от друга;
б)

активируются независимо друг от друга,
а репрессируются вместе друг с другом;
в) активируются и репрессируются только вместе друг с другом.

4. При катаболитной репрессии trp-оперона избыток триптофана
а) активирует ферменты расщепления триптофана;
б) активирует белок-корепрессор;
в) инактивирует белок-репрессор;
г) активирует белок-репрессор;
д) инактивирует белок-репрессор.