Экспрессия гена

Экспрессия генов — это что такое? Определение понятия

Что такое экспрессия генов? Какова её роль? Как работает механизм экспрессии генов? Какие перспективы он перед нами открывает? Как происходит регуляция экспрессии генов у эукариот и прокариот? Вот краткий перечень вопросов, которые будут рассмотрены в рамках данной статьи.

Общая информация

Экспрессия генов – это название процесса переноса генетической информации от ДНК посредством РНК к белкам и полипептидам. Давайте для понимания сделаем небольшое отступление. Что такое гены? Это линейные полимеры ДНК, что являются соединёнными в длинную цепь.

С помощью белка хроматина они образуют хромосомы. Если говорить о человеке, то у нас их сорок шесть. В них находится примерно 50 000-10 000 генов и 3,1 миллиарда пар нуклеотидов. Как же здесь ориентируются? Длина участков, с которыми ведётся работа, указывается в тысячах и миллионах нуклеотидов.

Одна хромосома содержит около 2000-5000 генов. В несколько ином выражении – около 130 миллионов пар нуклеотидов. Но это только очень приблизительная оценка, которая более-менее верна для значительных последовательностей. Если работать на коротких участках, то соотношение будет нарушаться.

Они имеют самую разнообразную длину. Вот, например, глобин – это 1500 нуклеотидов. А дистрофин – уже целых 2 миллиона! Их регуляторные цис-элементы могут быть удалены от гена на значительное расстояние.

Так, у глобина они находятся на расстоянии в 50 и 30 тысяч нуклеотидов в 5'- и 3'-направлении соответственно. Наличие подобной организации значительным образом затрудняет нам определение границ между ними.

Также гены содержат в себе значительное количество высокоповторяющихся последовательностей, функциональные обязанности которых нам ещё не понятны.

Для понимания их структуры можно представить, что 46 хромосом являются отдельными томами, в которых находится информация. Они сгруппированы в 23 пары. Один из двух элементов наследуется от родителя.

«Текст», что находится в «томах», многократно «перечитывался» тысячами поколений, что привносило в него много ошибок и изменений (называемых мутациями). И все они наследуются потомством.

Теперь есть достаточно теоретической информации, чтобы начать разбираться с тем, что собой являет экспрессия генов. Это ведь является главной темой данной статьи.

Теория оперона

Она строится на генетических исследованиях индукции β-галактозидазы, которая участвовала в гидролитическом расщеплении лактозы. Сформулирована она была Жаком Моно и Франсуа Жакобом. Данная теория объясняет механизм контроля над синтезом белков у прокариот.

Также важная роль отводится и транскрипции. Теория гласит, что гены белков, которые функционально тесно связаны в метаболических процессах, часто группируются вместе. Они создают структурные единицы, названные оперонами.

Их важность в том, что все гены, которые входят в него, экспрессируются согласованно. Иными словами, они все могут быть транскрибированы, или же никого из них нельзя «прочитать». В таких случаях оперон считается активным или пассивным.

Давайте представим, что у нас есть клетка, которая в качестве источника своего роста использует углерод глюкозу. Если её поменять на дисахарид лактозу, то через несколько минут можно будет зафиксировать, что она адаптировалась к условиям, которые были изменены.

Этому существует такое объяснение: клетка может работать обоими источниками роста, но один из них является более подходящим. Поэтому существует «прицел» на более легкообрабатываемое химическое соединение. Но если оно пропадает и на смену ему появляется лактоза, то ответственная РНК-полимераза активируется и начинает оказывать своё влияние на производство необходимого белка.

Это больше теория, а сейчас давайте поговорим о том, как же собственно происходит экспрессия генов. Это весьма увлекательно.

Организация хроматина

Материал из данного абзаца представляет собой модель дифференцированной клетки многоклеточного организма.

В ядрах хроматин уложен таким образом, что для транскрипции доступна только малая часть генома (около 1 %).

Но, несмотря на это, благодаря разнообразию клеток и сложности идущих в них процессов мы можем влиять на них. На данный момент для человека доступным является такое влияние на организацию хроматина:

1. Изменять количество структурных генов.
2. Эффективно транскрибировать разные участки кода.
3. Перестраивать гены в хромосомах.
4. Вносить модификации и синтезировать полипептидные цепи.

Но эффективная экспрессия гена-мишени достигается в результате четкого соблюдения технологии. Неважно, с чем ведётся работа, пускай даже эксперимент идёт над небольшим вирусом. Главное – это придерживаться составленного плана вмешательства.

Изменяем количество генов

Как это можно реализовать? Представим, что нас интересует влияние на экспрессию генов. В качестве опытного образца мы взяли материал эукариота. Он обладает высокой пластичностью, поэтому можем внести такие изменения:

1. Увеличить число генов. Используется в тех случаях, когда необходимо, чтобы организм увеличил синтез определённого продукта. В подобном амплифицированном состоянии находятся многие полезные элементы человеческого генома (например, рРНК, тРНК, гистоны и так далее). Такие участки могут иметь тандемное расположение в рамках хромосомы и даже выходить за их рамки в количестве от 100 тысяч до 1 миллиона пар нуклеотидов. Давайте рассмотрим практическое применение. Интерес для нас представляет ген металлотионеина. Его белковый продукт может связывать тяжелые металлы вроде цинка, кадмия, ртути и меди и, соответственно, защищать организм от отравления ими. Его активация может быть полезной людям, которые работают в небезопасных условиях. Если у человека наблюдается повышенная концентрация ранее упомянутых тяжелых металлов, то активация гена происходит постепенно автоматически.
2. Уменьшить число генов. Это довольно редко применяемый способ регуляции. Но и здесь можно привести примеры. Один из наиболее известных – это эритроциты. Когда они созревают, то разрушается ядро и носитель теряет свой геном. Подобное в процессе созревания проходят и лимфоциты, а также плазматические клетки различных клонов, что синтезируют секретируемые формы иммуноглобулинов.

Перестройка генов

Важной является возможность перемещения и объединения материала, при котором он будет способен к транскрипции и репликации. Данный процесс получил название генетической рекомбинации. С помощью каких механизмов она является возможной? Давайте рассмотрим ответ на этот вопрос на примере антител. Они создаются В-лимфоцитами, что принадлежат какому-то определённому клону.

И в случае попадания в тело антигена, на который есть антитело с комплементарным активным центром, произойдёт их присоединение с последующей пролиферацией клетки. Почему же у организма человека есть возможность создавать такое разнообразие белков? Такая возможность обеспечивается рекомбинацией и соматическими мутациями.

Но это может быть и следствие искусственных изменений в структуре ДНК.

Изменение РНК

Экспрессия генов – это процесс, в котором значительную роль играет рибонуклеиновая кислота. Если рассматривать мРНК, то необходимо заметить, что после транскрипции первичная структура может меняться. Последовательность нуклеотидов в генах одинаковая.

А вот в разных тканях мРНК могут появляться замены, вставки или попросту будут происходить выпадения пар. В качестве примера со стороны природы можно привести апопротеин В, создаваемый в клетках тонкого кишечника и печени. В чем же разница редактирования? Версия, создаваемая кишечником, имеет 2152 аминокислоты.

Тогда как вариант печени может похвастаться содержанием 4563 остатков! И несмотря на такое различие, у нас имеется именно апопротеин В.

Изменение стабильности мРНК

Мы уже почти пришли к тому, чтобы можно было заняться белками и полипептидами. Но давайте перед этим ещё рассмотрим, как может закрепляться стабильность мРНК. Для этого первоначально она должна покинуть ядро и выйти из цитоплазмы. Осуществляется это благодаря имеющимся порам. Большое количество мРНК будет расщеплено нуклеазами.

Те же, что избегут данной участи, организуют комплексы с белками. Время жизни эукариотической мРНК колеблется в широком диапазоне (до нескольких дней). Если стабилизировать мРНК, то при фиксированной скорости можно будет наблюдать, что увеличивается количество новообразованного белкового продукта.

Уровень экспрессии генов при этом не изменится, но, что более важно, организм будет действовать с большей эффективностью. С помощью методов молекулярной биологии можно кодировать конечный продукт, который будет иметь значительную продолжительность жизни.

Так, к примеру, возможным является создание β-глобина, функционирующего примерно десять часов (для него это весьма много).

Вот и рассмотрена в общем и целом система экспрессии генов. Сейчас осталось только дополнить имеющиеся знания информацией о том, как быстро происходят процессы, а также насколько долго живут белки. Скажем так, проведём контроль экспрессии генов.

Следует отметить, что влияние на скорость не считается основным способом регуляции разнообразия и количества белкового продукта. Хотя её изменение для достижения данной цели всё же использовалось. В качестве примера можно привести синтез белкового продукта в ретикулоцитах. Кроветворные клетки на уровне дифференцировки лишены ядра (а значит, и ДНК).

Уровни регуляции экспрессии генов вообще строятся в зависимости от возможностей какого-то соединения активно влиять на осуществляемые процессы.

Длительность существования

Когда же белок синтезирован, то время, в течение которого он будет жить, зависит от протеаз. Здесь нельзя точно назвать сроки, поскольку диапазон в данном случае составляет от нескольких часов до пары лет. Скорость расщепления белка широко варьируется в зависимости от того, в какой клетке он находится.

Ферменты, которые могут катализировать процессы, как правило, быстро «употребляются». Из-за этого они также создаются организмом в больших количествах. Также на срок жизни белка может оказать влияние физиологическое состояние организма. Также если был создан дефектный продукт, то он будет быстро ликвидирован защитной системой.

Таким образом, можно уверенно сказать, что единственное, о чем мы можем судить, – это стандартное время жизни, полученное в лабораторных условиях.

Заключение

Данное направление является очень перспективным. Например, экспрессия чужеродных генов может помочь вылечить наследственные болезни, а также ликвидировать негативные мутации. Несмотря на наличие обширных знаний по этой теме, можно уверенно сказать, что человечество ещё только находится в самом начале пути.

Генетическая инженерия совсем недавно научилась выделять необходимые участки нуклеотидов. 20 лет назад произошло одно из самых больших событий данной науки – была создана овечка Долли. Сейчас же ведутся исследования с человеческими эмбрионами. Можно с уверенностью сказать, что мы уже на пороге будущего, где нет болезней и физиологических страданий.

Но прежде чем мы там окажемся, необходимо будет очень хорошо поработать на благо процветания.

Регуляция экспрессии генов | Биология

Экспрессия генов — это реализация заложенной в них информации, то есть синтез РНК и белков. Другими словами, под экспрессией генов понимают их активность.

В клетках живых организмов экспрессия генов регулируется: одни гены могут быть реализованы, другие — нет. Причем регуляция может осуществляться на разных этапах: может выполняться или нет транскрипция, из пре-мРНК в результате альтернативного сплайсинга могут образовываться разные мРНК, может блокироваться трансляция и др.

У эукариот, обладающих отграниченным от цитоплазмы ядерным содержимым и более сложным геномом, регуляция экспрессии генов намного разнообразнее и сложнее, чем у прокариот.

Регуляция экспрессии генов у прокариот

У прокариот пока молекула РНК синтезируется на участке ДНК, она тут же может транслироваться (начиная с уже синтезированного конца). Поэтому у них регуляция экспрессии (активности) генов осуществляется почти исключительно на уровне ДНК, так как в РНК часто невозможно внести какие-нибудь изменения до ее трансляции.

В 1961 г. Жакобом и Моно была предложена модель оперона как системы регуляции генов у бактерий. Оперон состоит из промотора, оператора, структурных генов оперона (их может быть разное количество) и терминатора.

В области промотора прикрепляется фермент РНК-полимераза.

В области оператора присоединяется белок-репрессор, который кодируется отдельно отстоящим от оперона геном-регулятором (может быть сцеплен со своим опероном, а может находиться на расстоянии).

Если белок-репрессор соединяется с оператором, то транскрипция всех структурных генов оперона становится невозможной, так как РНК-полимераза не может перемещаться по цепи ДНК.

Бывает обратная ситуация, когда индуктор активирует белок-репрессор.

Таким образом, в зависимости от того, какие индукторы находятся в цитоплазме, у прокариот экспрессируются те или иные генные группы.

Вышеописанный механизм экспрессии генов относится к негативной регуляции, так как гены транскрибируются, если они не выключены репрессором. И наоборот: не транскрибируются, если выключены.

Кроме негативной регуляции у бактерий существует также позитивная. В этом случае вместо белка-репрессора действие оказывает белок-активатор. На эти белки также действуют индукторы, активируя или инактивируя их.

Также у прокариот были выявлены опероны, которые актируются двумя регуляторными белками, соединенными друг с другом.

Регуляция экспрессии генов у эукариот

У многоклеточных организмов в клетках разных тканей экспрессируются разные гены, т. е. для эукариот характерна дифференциальная экспрессия.

У эукариот, также как и у прокариот, существуют регуляторные белки с похожим механизмом действия. При этом для эукариот не характерна регуляция по типу оперона. Цистроны (транскрибируемые участки) эукариот обычно содержат по одному гену. (Это не касается геномов хлоропластов и митохондрий.)

Кроме регуляторных белков, взаимодействующих с ДНК, у эукариот существуют и другие способы регуляции экспрессии генов.

Альтернативные промоторы. У гена может быть несколько промоторов, каждый из которых начинает транскрипцию с разных его экзонов в зависимости от типа клетки. В конечном итоге будут синтезированы разные белки.

Метилирование и деметилирование ДНК. Метилирование ДНК происходит в регуляторных областях гена. Метилируется цитозин в последовательности ЦГ, после чего ген инактивируется. При деметилировании активность гена восстанавливается. Процесс регулируется ферментом метилтрансферазой.

Гормональная регуляция. При гормональной регуляции гены активируются в ответ на внешний химический сигнал (поступление в клетку определенного гормона). Этот гормон запускает те гены, которые имеют специфические последовательности нуклеотидов в регуляторных областях.

Геномный импринтинг. Это малоизученный способ регуляции экспрессии генов у эукариот. Он возможен только у диплоидных организмов и выражается в том, что активность генов зависит, от какого из родителей они были получены. Выключение генов осуществляется путем метилирования ДНК.

Альтернативный сплайсинг. Это регуляция на уровне процессинга. При альтернативном сплайсинге порядок сшивки экзонов может быть различным. Отсюда следует, что на основе одной и той же нуклеотидной последовательности ДНК могут быть синтезированы разные белки. Хотя их отличие друг от друга будет в основном заключаться лишь в разных сочетаниях одних и тех же аминокислот.

Тканеспецифическое редактирование РНК также протекает на уровне процессинга. Выражается в замене отдельных нуклеотидов в РНК в определенных тканях организма.

Кроме того, у эукариот иРНК часто не подвергается процессингу вообще (а распадается) или подвергается с задержкой. Это токже можно рассматривать как способ регуляции экспрессии генов.

Регуляция стабильности иРНК. У эукариот существует регуляция и на уровне трансляции, когда готовые иРНК не «допускаются» к рибосомам или разрушаются. Другие же иРНК могут дополнительно стабилизироваться для многократного использования.

Риборегуляторы. Были обнаружены РНК, выполняющие регуляторные функции путем ослабления работы отдельных генов.

Для высокоорганизованных животных отмечается существование надклеточного уровня регуляции экспрессии генов.