загрузка...
загрузка...
На головну

Регуляція експресії генів.

  1. Б) Розуміння експресії
  2. Взаємодія неалельних генів.
  3. Вплив експресії антисмислової РНК на фенотип трансгенних мишей
  4. ВОЛЬОВА РЕГУЛЮВАННЯ ПОВЕДІНКИ
  5. Глава 12. Емоційна регуляція когнітивних процесів
  6. Глава 19. Емоційний стрес і регуляція емоційних станів - 465
  7. Глава 2. РЕАЛІЗАЦІЯ генетичної інформації ПРИ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНОВ

Контроль експресії генів здійснюється на наступних рівнях:

· На рівні транскрипції (контролюється час і характер транскрипції гена)

· На рівні процесингу первинного транскрипту

· При відборі зрілих мРНК для їх транспорту в цитоплазму

· На рівні трансляції - відбір в цитоплазмі мРНК для трансляції на рибосомах

· На рівні деградації - виборча дестабілізація певних типів мРНК в цитоплазмі

· На рівні активності білка - селективна активація, інактивація або компартментація молекул білка після їх синтезу.

Експресія генів як у прокаріотів, так і у еукаріот регулюється за допомогою цілого ряду механізмів. Деякі з механізмів такого роду, що діють в бактеріальних системах, вивчені досить добре, і два з них будуть розглянуті нижче, але про те, як діє реrуляторние механізми в клітинах еукаріот, відомо небагато.

Концепція оперона в регуляції експресії генів у прокаріотів. Ген зазвичай неактивний, але коли необхідний певний білок, конкретний ген «активується», що обумовлює виробництво цього білка. Таким чином, клітини мають механізм, який контролює кількість будь-якого білка в певний час. Синтез білків регулюється генетичним апаратом, а також факторами внутрішнього і зовнішнього середовища.

Структура оперона прокаріотів. У 1961 р два французьких біолога Ф. Джакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, названий гіпотезою оперона.

Оперон - це послідовність спеціальних, функціональних сегментів ДНК, а також структурних генів, які кодують і регулюють синтез певної групи білків однієї метаболічної ланцюга, наприклад, ферментів гліколізу. Оперон (регульована одиниця транскрипції) складається з наступних структурних частин (спеціальних пocлeдoвaтeльноcтей нуклeoтідoв) (ріc.22):

Промотор - ділянка ДНК, до якого приєднується РНК
 полімераза і починається транскрипція.

Оператор - ділянку промотора, зв'язуючий білок-регулятор.

Структурні гени (цистрони) - ділянки ДНК, що кодують
 мРНК конкретних білків.

Термінаторний ділянку ДНК несе сигнал про зупинку транскрипції.

Рис.22. Схема структури оперона (А): негативний контроль (Б) і позитивний контроль (В) експресії генів.

Основні механізми регуляції функціонування оперона прокаріотів. Гени-регулятори під дією клітинних факторів зумовлюють синтез регуляторних білків. Такі білки, з'єднуючись з певними нуклеотидними послідовностями ДНК (оператором), можуть сприяти або перешкоджати приєднанню РНК-полімерази до промотор. У разі якщо білок регулятор не дає можливість ферменту приєднуватися до промотор, він називається репрессором (рис. 22, Б). У цьому випадку здійснюється негативний контроль транскрипції з боку гена-регулятора. У разі якщо білок-регулятор сприяє приєднанню РНК-полімерази до промотор і початку процесу транскрипції, його називають білком-активатором, і здійснюється позитивний контроль з боку гена-регулятора (рис. 22, В). У процесах регуляції експресії генів беруть участь також речовини небілкової природи {Ефектори), які взаємодіють з білками-регуляторами і змінюють їх здатність зв'язуватися з опероном. Наприклад, кінцевий продукт метаболічної ланцюга. Залежно від результатів такого впливу серед ефекторів розрізняють індуктори, що сприяють транскрипції, і корепрессора, що перешкоджають їй.

Функціонування лактозного оперона Е. coli. У своїх експерементів Джакоб і Моно виявили, що додавання лактози до культури E.coli індукує утворення відразу трьох білків-ферментів: галактозидази, пермеази і трансацетілази, необхідних клітині для розщеплення лактози до глюкози і галактози. Гени, що кодують ці ферменти, є сусідами один з одним в хромосомі. Їх назвали структурними генами, або цистрона. Вони одночасно транскрибируются РНК-полімераза в довгу одиночну мРНК, яка має кодони для всіх трьох ферментів. мРНК, трансрібіруемая з декількох генів, називається поліцістронной. Здатність до транскрипції цих цистрон контролюється ділянкою молекули ДНК - оператором. Операторний локус - це певна ділянка оперону, який має певну послідовність нуклеотидів, довжиною 27 пар основ. Цей сегмент ДНК розташовується в області промотора, до якого перед початком транскрипції приєднується РНК-полімераза. Промотор розташований перед початком першого структурного гена ?-галактозидази. Цистрон «синтезує» мРНК, коли оператор включений і припиняє синтез, коли він «вимкнений». Оператор включається або вимикається білком, званим репрессором. Його синтез контролюється регуляторним геном. Репрессор або зв'язується з оператором, придушуючи його активність, або не зв'язується з ним, дозволяючи прояв активності структурних генів. Таким чином, репрессор є негативним регулятором.

На малюнку 23 представлена ??схема функціонування лактозного оперона. Репресія (I). При відсутності індуктора (лактози), репрессор зв'язується з оператором і блокує транскрипцію, в цьому випадку ферменти не утворюються. Індукція (II). Лактоза індукує транскрипцію генів, т. К. Інактивує репрессор. До промотору приєднується РНК-полімераза і починається транскрипція генів А, В і С. В результаті утворюються необхідні в даних умовах ферменти. Синтез ферментів може не тільки індукувати, а й придушуватися.

Наприклад, в результаті якоїсь ланцюгова реакція в клітці утворюється кінцевий продукт Д в більшому, ніж це необхідно клітці, кількості. Це може порушити нормальний хід реакцій обміну, тому в клітці виникає необхідність зупинити даний процес. Тоді речовина Д вступає в реакцію з відповідним білком-репрессором і переводить його в активний стан. Після цього відбувається приєднання репрессора до оператора, тим самим вимикається вся система оперона і синтез ферментів припиняється. В даному випадку, гальмування синтезу проводиться кінцевим продуктом, що утворюється в результаті реакції. Такий механізм дії називається регулюванням за принципом зворотного зв'язку.

Рис.23. Схема функціонування лактозного оперона Е. соli

Описаний механізм регуляції має велике пристосувальне значення. Наприклад, згідно з наявною генетичній програмі, кишкова паличка може синтезувати кілька десятків ферментів, що розщеплюють різні речовини, так як склад середовища, що оточує бактерії, дуже мінливий. У цих умовах постійне освіту всього набору ферментів було б неекономічним для клітини, так як недоцільно продукувати одночасно 60-80 ферментів, з яких в даних умовах середовища можуть знадобитися лише 6-8. Тому синтез непотрібних в цих умовах ферментів блокований, а клітини утворюють лише кілька необхідних білків.

Ще одним різновидом негативної регуляції є так звана катаболітной репресія. Репресія відбувається тоді, коли репрессор зв'язується з оператором не інакше, як в комплексі з низькомолекулярних кофактором (корепрессора). Таким корепрессора часто буває кінцевий продукт білкового синтезу, який кодується опероном. Тоді, якщо концентрація цього продукту стає занадто високою, він зв'язується з репрессором і подальший його синтез припиняється. Прикладом такої системи може служити триптофанового оперон.

Триптофанового оперон складається з оператора і п'яти структурних генів (А-Е). Останні кодують ферменти, що беруть участь в біосинтезі триптофану, однією з незамінних амінокислот. У міру збільшення концентрації триптофану настає момент, коли подальший його синтез стає небажаним і транскрипція припиняється. «Виключення» транскрипції відбувається наступним чином. Триптофан зв'язується з дімерная репрессором (trр-репрессором), який кодується окремим, що не входять в оперон регуляторним геном. При цьому відбувається конформационное зміна, і відкривається ділянку, здатний зв'язуватися з операторної послідовністю в ДНК. Весь комплекс зв'язується далі з ДНК і блокує місце зв'язування з РНК-полімераза (промотор). Це приклад регуляції за допомогою репресії.

Варіація довжини транскрипта - ще один механізм, за допомогою якого може здійснюватися регуляція експресії оперонов в бактеріях. Так, в trр-оперон крім репресії використовується і інша система регуляції. Вона пов'язана з наявністю в ДНК ділянки, розташованої безпосередньо перед першим структурним геном {trрЕ) і званого аттенуатором. Аттенуатор є нуклеотидную послідовність, яка містить команду, по якій відбувається передчасна термінація транскрипції. У разі trр-оперона при високій концентрації триптофану 90% всіх транскриптов терминирующего після транскрипції всього лише 140 нуклеотидів і до початку транскрипції структурних trр-генів. Позитивна регуляція - ще один спосіб регуляції експресії гена (на малюнку не показаний). Він відрізняється від негативної регуляції тим, що транскрипція «включається», а не «вимикається» після приєднання регуляторного білка до оперон. Корепрессора, або скоріше коактіватор, приєднується до білка-активатора; далі весь комплекс зв'язується з відповідною ділянкою на ДНК, і лише після цього може відбуватися транскрипція. Прикладом регуляції такого типу може служити процес, що відбувається за участю катаболітной білка-активатора, коактіватором якого є сАМР (див. Додаткову літературу). За відсутності (або при низькій концентрації) сАМР, що має місце при розмноженні бактерій в присутності глюкози, блокується, таким чином, транскрипція деяких оперонов, включаючи l?с-оперон. Таке явище називається катаболітной репресією.

Контроль експресії генів у еукаріот. Еукаріотичні організми в значної частини представлені багатоклітинними формами з високою спеціалізацією клітин. Всі клітини багатоклітинного організму виникають з зиготи шляхом мітозу і отримують повноцінний набір генетичної інформації. Однак вони відрізняються один від одного по морфології, біохімічним і функціональним властивостям. Ці відмінності засновані на функціонуванні в різних клітинах неоднакових частин геному. Велика частина генома людини знаходиться в клітинах організму в неактивному, репресованого, стані, і тільки 7-10% активно транскрибуються. Функціональна активність генів залежить від тканинної приналежності клітини, від періоду її, життєвого циклу і стадії індивідуального розвитку організму. З активно функціонують генів в більшості клітин основна маса генів забезпечує синтез білків загального призначення (білки рибосом, гістони, тубулін і т. Д.), ТРНК і рРНК. Транскрибування цих генів відбувається шляхом приєднання РНК-полімерази до промотор і називаються вони конститутивним генами. Існує ще одна група генів, функціонування яких, а також швидкість і тривалість їх транскрипції залежить від різних регулюючих факторів, що стимулюють або забороняють з'єднання РНК-полімерази з промотором гена. Називають ці гени - регульовані. Хоча у всіх клітинах людини міститься абсолютно однакова ДНК, в різних тканинах відбувається експресія далеко не однакових наборів генів. Таким чином, повинні існувати якісь механізми, за участю яких одні гени працюють (т. Е. Експрессируются), а інші ні. Для цієї мети використовується цілий ряд механізмів: регуляція на рівні транскрипції і на рівні трансляції, посттранскрипційна і Посттрансляційна регуляція і регулювання за допомогою гормонів.

Регуляція на рівні транскрипції здійснюється при синтезі мРНК. Середні концентрації індивідуальних мРНК, транскрібіруемих з різних генів, сильно відрізняються один від одного. Це обумовлено тим, наприклад, що мРНК-копії одних генів руйнуються швидше інших, або тим, що їх синтез відбувається повільніше. Регуляція може здійснюватися за допомогою білків, здатних зв'язуватися з ДНК, і навіть за допомогою коротких фрагментів РНК, які спаровуються з ДНК, імовірно блокуючи місця прикріплення РНК-полімерази. Таким чином, швидкість транскрипції може знижуватися або, навпаки, підвищуватися.

Крім більш-менш постійного статусу експресії, активність багатьох генів може швидко змінюватися під дією спеціальних регуляторів. Наприклад, інтенсивність транскрипції матричної рибонуклеїнової кислоти (мРНК) може тимчасово збільшуватися або зменшуватися під впливом білків, які зв'язуються з регуляторними зонами гена. Активність регуляторних білків, в свою чергу, контролюється рецепторами, локалізованими або всередині клітини, або на її поверхні. Різноманітні рецептори розпізнають специфічні молекули, такі як стероїдні гормони, пептидні фактори росту і нейромедіатори, і передають молекулярні сигнали всередину клітини, що контролює активність регуляторних білків, що діють на дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).

У транскрибируемой матриці ДНК виділяють дві головні функціональні області - кодує і регуляторну. Матрична РНК транскрибується з ДНК (кодує білок) за допомогою ферменту РНК-полімерази II. Регуляторна область гена зазвичай знаходиться перед початком кодує області. Регуляторні елементи ДНК розташовуються поруч з кодує областю (примикають до неї), вони називаються cis-регуляторними елементами. Навпаки, фактори транскрипції регуляторних білків, що зв'язуються з субелементамі, є trans-регуляторами по відношенні до гену-мішені, оскільки кодують їх гени знаходяться далеко (наприклад, на іншій хромосомі).

Регуляторна область структурного гена містить ділянку, званий промотором. Ця ділянка примикає до точки початку транскрипції і в більшості випадків містить ділянку близько 8 пар підстав, які включають кілька аденінових (А) і тімідінових (Т) нуклеотидів. Цей елемент, званий ТАТА-блоком, оточений ділянками, багатими гуаніном (Г) і цитозином (Ц).

Білки - фактори транскрипції. ТАТА- блок і сусідні елементи ДНК промотора вказують РНК-полімерази точку, з якої повинна початися транскрипція мРНК. До ТАТА- блоку прикріплюється комплекс білків, званих ТАТА-блок-зв'язуючими білками. Вважають, що ці білки взаємодіють безпосередньо з РНК-полімераза II, і їх зв'язування направлено на область ДНК, прилеглу до точки початку транскрипції. Інші регуляторні елементи ДНК часто знаходяться поруч з ТАТА- блоком. До них відносяться Саат-блок і G-C-багаті ділянки, які, ймовірно, сприяють початкового зв'язування полімерази. Інші регуляторні зони ДНК називаються енхансером ( «підсилювальними»).

Енхансери можуть розташовуватися всередині декількох сот підстав промотора, але зазвичай знаходяться далеко від нього. Кожен окремий сегмент енхансера має довжину близько 7-20 пар основ і служить місцем прикріплення білків, які контролюють можливість транскрипції гена за допомогою РНК-полімерази II. Цікаво, що енхансери не специфічні ні до послідовності-мішені, ні до своєї орієнтації. Послідовності енхансера або промотора ДНК, до яких прикріплюються тканеспеціфічние регуляторні молекули, називаються респонсівнимі елементами. Наприклад, респонсівний елемент циклічного аденозинмонофосфату (сАМР) складається з послідовності ACGTCA; саме цю послідовність дізнаються молекули сАМР (сАМР - елемент-зв'язуються білки), які активуються шляхомфосфорилювання за допомогою сАМР-залежної протеїнкінази. Відомі й інші респонсівние елементи. Наприклад, внутрішньоклітинні рецептори стероїдних гормонів, гормон росту та інші білки зв'язуються з особливими послідовностями ДНК і контролюють транскрипцію генів, що лежать поруч (праворуч) з місцем прикріплення цих білків. Деякі гени, так звані конститутивно експресуються гени, мають регуляторні білки, які завжди пов'язані з їх промоторами; таким чином, встановлюється постійний рівень транскрипції. Промотори інших генів пов'язані з регуляторними білками тільки періодично, що забезпечує тимчасову індукцію або репресію гена відповідними регуляторами транскрипції. Зв'яжеться чи РНК-полімераза II з геном, чи почнеться транскрипція, і скільки разів в одиницю часу це станеться, визначається регуляторами транскрипції, які з'єднуються з різними ділянками промоторів і енхансером. Фактори транскрипції, які зв'язуються з регуляторними областями генів, як правило, мають три функціональних відділу (домену):

ДНК-зв'язуючий домен, який містить багато лужних амінокислотних залишків і дозволяє білку розпізнавати і вибірково зв'язуватися зі специфічною послідовністю ДНК.

Активаторний домен, який має кислу реакцію, який дозволяє білку контактувати і активувати основний транскрипційний механізм (ТАТА-блок- зв'язуючі білки і РНК-полімерази II).

Один або більше ліганд-зв'язуючих або фосфорилируют доменів, які потрібні для активації факторів транскрипції. Фактори транскрипції ДНК служать ключовими регуляторами експресії гена, тому їх біохімічні властивості є предметом інтенсивного вивчення.

Ми знаємо на даний момент три основних сімейства білків - чинників транскрипції:

Білки «спіраль-поворот-спіраль» (Helix-tum-helix). Ця група ДНК-зв'язуючих білків представлена ??в більшості випадків гомодимер. Кожна субодиниця білка містить альфа-спіраль, яка підходить до великої бороздке спіралі ДНК. Це «довідався домен». Інша частина білка завжди вигинається з молекули ДНК і обвиває її, а друга альфа-спіраль білка входить у велику борозенку на наступному витку ДНК. Коли такі білки з'єднуються з ділянкою ДНК, вони змінюють конформацію ДНК і роблять її або більш доступною для транскрипції (і тоді вони служать «індукторами»), або менш доступною (тоді вони працюють як «репрессори»).

Білки типу «цинковий палець». Білки цієї групи названі так тому, що вони мають ділянку приблизно з 23 амінокислот, який містить чергуються залишки цистину і гістидину і формує пальцевидні виступи, чия структура підтримується завдяки пов'язаним іонів цинку. Такі білки взаємодіють з ДНК за допомогою петлевидних ділянок. Рецептори глюкокортикоїдів, естрогенів, вітаміну А, прогестерону, гормонів щитовидної залози і ретиноєвої кислоти містять по два «цинкових пальця».

Амфіфільних спіральні білки. Ця група включає дві підгрупи: білки «спіраль-петля-спіраль» (helix-loop-helix) і білки типу «лейциновой блискавки». Білки-регулятори, які мають структуру типу «лейцінових блискавок», можуть формувати або гомодимера, в яких обидві субодиниці ідентичні, або гетеродімери, в яких субодиниці не схожі один на одного. Гетеродімери складаються з двох різних білків з різною специфічністю до ДНК, тому здатність певних факторів транскрипції до формування функціональних димарів значно збільшує різноманітність ДНК зв'язуючих білків і, отже, варіабельність контролю гена. Освіта гетеродімери і навіть олігомерів ДНК зв'язуючих білків (т. Е. Комбінаційний контроль) - один з найважливіших механізмів, які використовуються еукаріотичної клітиною для регуляції експресії генів. Також важливо, що не всі фактори транскрипції формують гетеродімери. Інакше перехресний контроль і специфічність регуляції генів у клітині були б неможливі.

Очевидно, що рівень транскрипції генів - головний фактор в регуляції життєдіяльності та морфології клітини. Однак це не єдина можливість впливати на клітинний фенотип. Як показали численні дослідження, інші події також важливі для контролю експресії генів. Наприклад, на додаток до транскрипції гена, що створює мРНК, молекулярний апарат повинен сприймати сигнали самого гена; тобто повинні бути вирізані інтрони (сплайсинг мРНК) і додані інші компоненти, що забезпечують функціональність мРНК. Після такого процесингу мРНК повинна бути перенесена з ядра в цитоплазму. У цитоплазмі на мРНК повинна початися трансляція білка. Механізми трансляції мРНК вимагають участі великої кількості регуляторних молекул; недолік або зниження активності будь-який з цих молекул може зробити сильний вплив на цитоплазматическую експресію продукту гена. У цитоплазмі мРНК може бути швидко зруйнована або захищена від деградації цитоплазматическими білками; стабільність і період напіввиведення мРНК - особливий механізм генної регуляції. Остаточний продукт гена, білок, також повинен бути функціонально активним для прояву активності гена.

посттранскрипційна регуляція здійснюється на рівні процесингу мРНК. Навіть в тому випадку, якщо транскрипція двох різних генів проходить з однаковою швидкістю, подальший процесинг мРНК, що включає модифікацію 5'- і 3'-решт і сплайсинг екзонів, може протікати по-різному у різних мРНК.

Регуляція на рівні трансляції здійснюється за рахунок того, що виключається можливість використання мРНК як матрицю для синтезу білка, хоча вона і є присутнім в цитоплазмі. У ооциті морського їжака, наприклад, багато мРНК, але скільки-небудь помітного синтезу білка не відбувається до тих пір, поки ооцит НЕ буде запліднені. Лише після цього молекули мРНК піддаються модифікації, т. Е. «Набувають» шпильку на 5'-кoнцe (так називаний кеп, або «шапочку») і «шлейф» з роlу А на -кінці, і можуть далі включитися в нормальний трансляційний процес, який завершується побудовою молекули білка.

Посттрансляційна регуляція заснована на тому, що багато білків синтезуються в неактивній формі і повинні ще пройти стадію модифікації. Так, в ?-клітинах підшлункової залози синтезується інсулін як такої, а його попередник, поліпептидний ланцюг якого довший інсулінової і містить ще деяку додаткову послідовність амінокислотних залишків. Лише після того, як ця послідовність вирізається протеолітичних ферментів, виходить власне гормон в своїй функціональній формі. Таким чином, виробництво активного гормону може регулюватися посттрансляційних шляхом через регуляцію активності протеолітичного ферменту.

Епігенетична регуляція експресії генів. Процеси, що керують програмою розвитку, називаються епігенетичними. Як відомо, злиття одного сперматозоїда з єдиною яйцеклітиною призводить до народження повністю сформованого індивіда, з усім набором функціонально різних тканин і органів.

Очевидно, програма розвитку, закладена в генах зародка, «включає» або «вимикає» їх (на час або назавжди) в заздалегідь заданій послідовності. При цьому змінюється склад білків у знову формуються клітинах і тим самим змінюються властивості клітин. Наявність програми розвитку не пояснює, чому доля перших клітин різна. На ДНК повинен діяти якийсь процес, керуючий розгортанням програми, що відбирає ті чи інші гени для включення або виключення в даній клітині в даний час. Без цього всі соматичні клітини тіла, які мають одні і ті ж хромосоми, розвивалися б однаково. Крім того, що щось має керувати передачею розподілу станів «включений-виключений» між генами від одного покоління клітин до іншого. Дочірнім клітинам призначається зберегти рівень диференціювання батьківської клітини або ж просунутися далі по шляху спеціалізації.

З генетичної точки зору питання про причини диференціювання 100 трильйонів (1014) клітин організму людини, що мають єдиний геном, зводиться до проблеми диференціальної експресії генів в різних клітинах організму, що розвивається. Стає все більш очевидним, що стабільна підтримка цих відмінностей обумовлено епігенетичних контролем генної експресії. В даний час під епігенетичної мінливістю розуміється зміна експресії генів без зміни первинної послідовності нуклеотидів в ДНК. У більш вузькому сенсі слово «епігенетика» означає модифікацію генної експресії, обумовлену спадковими, але потенційно оборотними змінами в структурі хроматину і / або в результаті метилювання ДНК. Інтенсивні дослідження регуляції активності генів різних видів мікроорганізмів, рослин, комах, тварин і людини і секвенування геномів, виконані в останні десятиліття XX ст., Ознаменувалися відкриттям ряду епігенетичних феноменів, до яких можна віднести ефект положення, парамутацію, трансвекцій, РНК-інтерференції, явище пріонізаціі, супрессию транспозони, геномної імпрінтінг і інактивацію Х-хромосоми.

під ефектом положення розуміють зміна фенотипического ефекту гена залежно від розташування сусідніх з ним генів. Цей ефект був виявлений А. Стертевантом в 1925 р у дрозофіли. У даного об'єкта часто спостерігається зміна експресії еухроматінових гена в результаті його переміщення в гетерохроматинових область геному. Ефект положення був виявлений згодом у багатьох організмів, включаючи людину. Слід зазначити, що коректна експресія генів залежить від ряду факторів: 1) стану промоторной області, де фіксується транскрипційний комплекс; 2) стану енхансером і сайленсери - коротких областей ДНК, що забезпечують приєднання тканеспеціфічних транскрипційних факторів і допомагають збірці транскрипційного комплексу на промоторі; 3) локального стану хроматину, навколишнього промотори і енхансери, яке забезпечує їх доступність для білків, що беруть участь в контролі транскрипції. Порушення будь-якого з цих факторів, а також зміна взаємного розташування окремих елементів, які контролюють роботу транскрипційного комплексу, можуть привести до зміни транскрипції гена.

під парамутаціей розуміють таке взаимодейст алельних генів, що знаходяться в гетерозиготному стані, що призводить до успадкованого зміни експресії одного з алелей. Термін «парамутація» був введений Р. а. Брінком в 1956 р для опису виявленого ним порушення I закону Менделя, згідно з яким генетичні фактори сегрегують в незміненому вигляді від гетерозиготних носіїв. Передбачається, що парамутація також пов'язана зі спадковими змінами структури хроматину, що проявляються через дистантних цис- і транс- взаємодії генів.

під трансвекцій розуміють взаємодію гомологічних генів, при якому один ген чинить прямий вплив на функцію іншого шляхом спарювання гомологів. Як приклад трансвекції служить локус уеllou у дрозофіли - енхансер одного аллеля цього локусу в трансположеніі впливає на промотор іншого гомолога. Моделі трансвекції включають прямий вплив гомологічних послідовностей ДНК один на одного в результаті освіти петельних структур, трансдействующіх енхансером, диффундирующих регуляторних молекул РНК, що стрибають полимераз, транссплайсінга і т. Д.

Епігенетичні спадковість можна розділити на ядерну і внеядерную (цитоплазматическую). У рослин, наприклад, відомо явище косупрессіі, або посттранскрипційна вимикання гена, пов'язане з посттранскрипційна цитоплазматичної модифікацією двуспиральной РНК. Двуспіральная РНК за допомогою поки ще не ясного біологічного перетворення розпадається на короткі шматочки - інтерферуючих РНК, яка запускає деградацію відповідної матричної РНК. Процес такої специфічної деградації певних послідовностей інформаційної РНК, ініційований двоспіральної молекулами РНК, гомологічними до вимикати гену, і приводить до вимикання його експресії, отримав назву «РНК-інтерференції» (див. 1.2.4).

РНК-інтерференція часто призводить до небажаних наслідків для організму, формуючи аномальний фенотип, що дозволяє ідентифікувати функцію даних генів.

Інше явище цитоплазматичної спадковості - пріонізація - Пов'язане вже з модифікацією білків. Це явище привертає увагу дослідників у зв'язку з важкими нейродегенеративних захворюваннями з пізнім проявом, що виникають в результаті впливу приона - інфекційного агента білкової природи, позбавленого нуклеїнової кислоти. Ці хвороби характеризуються атаксією, деменцією, дегенерацією нейронів і відкладенням амілоїдних бляшок в центральній нервовій системі. Встановлено, що вони виникають в результаті накопичення конформационно зміненого аномального пріонового білка в мозку при мутаціях гена РККР (20р12). До числа таких захворювань належить хвороба Крейнцфельда-Якоба, куру, сімейна фатальна безсоння і трансмісивна губчаста енцефалопатія - хвороба скажених корів.

У багатьох організмів епігенетичні вимикання генів пов'язано з повторюваними послідовностями ДНК, локалізованими переважно в гетерохроматинових областях геному. Гетерохроматин включає як прості повтори, так і неактивні мобільні генетичні елементи - транспозони. Число транспозони в геномі людини досить велике - відомо більше 106 елементів. Оскільки транспозони дестабілізують геном шляхом інсерційного мутагенезу і сприяють хромосомних перебудов через рекомбінацію між неалельних повторами, то передбачається, що роль епігенетичної супрессии транспозони в геномі ссавців полягає в захисті господаря проти паразитичних послідовностей ДНК.

геномної імпрінтінг - Це епігенетичні процес, диференційно маркирующий материнські і батьківські гомологічні хромосоми, що призводить до різного фенотипическому прояву мутацій у потомства, успадкованих від матері або батька.

У генетичному сенсі термін «імпринтинг» (від англійського «відбиток») вперше був застосований в 1960 р Хелен Кроуз для опису селективної елімінації батьківських хромосом у комах.

У 80-х роках в експериментах з трансплантацією ядер статевих клітин у мишей було показано, що андрогенетические або гиногенетические ембріони не могли нормально розвиватися в ході ембріогенезу.

У ділянках генома, схильних до імпринтингу, експресується тільки один з двох алелей - батьківський чи материнський. Другий аллель імпринтовані (вимкнений або пригнічений) і не експресується.

Такий спосіб регуляції роботи генів свідчить про нееквівалентний внесок батьків у геном нащадків. Всі ми отримуємо один набір генів від матері, інший - від батька. У більшості генів працюють обидві копії. Але є такі гени, у яких працює тільки материнська. У деяких інших тільки батьківська копія. Інша копія в цьому випадку не діє, «мовчить»; кажуть що вона «перебуває під импринтингом». Відомо близько 40 таких генів.

Зазвичай для синтезу будь-якого білка організму досить однієї копії гена. Якщо в геномі зародка є і материнські і батьківські гени, то будь-який імпринтовані, що "мовчить" ген має свою працюючу копію. Тоді все в порядку. Однак якщо скласти геном зародка тільки з материнських або батьківських хромосом, то «мовчати» будуть обидві копії.

У людини відомо близько 30 таких генів і транскриптов і передбачається, що їх число може досягати 200-500. Імпринтовані гени і транскрипти виявлені на багатьох хромосомах людини-1,5,6,7 і 13,15,19,20.

В даний час добре вивченим є кластер імпринтованих генів, розташований на довгому плечі хромосоми 15 людини. Порушення роботи цих генів призводить до двох класичним хвороб геномного імпринтингу - синдром Прадера-Віллі (СПВ) і синдром Ангельмана (СА). Ці захворювання мають різні клінічні ознаки (гіпотонсіндромія, ожиріння, розумова відсталість, гіпогонадизм при СПВ і атаксія, гіперкінези, пароксизмальної сміх, відсутність мовлення при СА), але при цитогенетичному дослідженні в обох випадках у більшості хворих виявляється делеция спільної ділянки д11- д13 хромосоми 15 . При аналізі батьківського походження хромосом виявлено, що СПВ виникає в результаті делеції батьківській хромосоми- 15, а СА материнської.

Відомо, що прояв розумових і соціальних якостей людини (поведінка в соціумі) обумовлено різним функціонуванням певних генів, переданих від батька або від матері своїм нащадкам в залежності від статі останніх. Судячи з досліджень хворих дітей з порушенням будови Х-хромосоми, саме в ній знаходяться гени, від яких залежать пізнавальні здібності людини і його соціальну поведінку. Так як син отримує тільки одну, материнську, Х-хромосому, його розумові і соціальні можливості, в першу чергу успадковуються від матері. Інша річ дочки, геном яких формується Х-хромосомами обох батьків. Тут вступає в силу механізм імпринтингу: материнські або батьківські копії генів, що визначають інтелект і соціальну поведінку, вимикаються. Отже, соціальна поведінка жінки залежить від батьківської Х-хромосоми, яка завжди успадковується дочками. Інформація, яка зберігається в материнській Х-хромосомі і проявляється у синів, чи не буде зчитуватися в організмі дочки. У передачі інтелекту беруть участь і інші гени тієї ж хромосоми. Материнські копії деяких з них активують ріст кори головного мозку, а батьківські навпаки - гальмують.

В даний час запропоновані, по крайней мере, дві теорії, що пояснюють функцію геномного імпринтингу. Перша з них - конфліктна теорія батьківського і материнського геномів в регуляції росту плода. Збільшення плаценти і маси плода може забезпечити переважне розмноження нащадків по лінії батька, але виснажить ресурси матері. Однак якщо зростання плаценти і плода знаходиться під контролем з боку матері, то вона зможе забезпечити відтворення більшого числа нащадків по своїй лінії. Звідси можна припускати, що мати буде імпринтовані або вимикати гени, що сприяють росту плаценти і плода, тоді як батько буде вимикати гени, що перешкоджають цьому зростанню.

Друга (захисна) теорія пояснює роль геномного імпринтингу з точки зору захисту генома господаря від проникнення в нього чужорідних елементів. Відповідно до цієї теорії, імпринтинг, і зокрема метилювання ДНК, це захисний механізм, що забезпечує інактивацію паразитичних послідовностей ДНК, таких як транспозони і провірусна ДНК.

Визначення імпринтовані експресії будь-якого гена в окремій тканини зовсім не означає, що цей ген буде імпринтовані у всіх інших. І навпаки, відсутність імпринтовані статусу гена в деяких тканинах зовсім не виключає його наявності в інших. Ці дані підтверджують припущення про те, що тканеспеціфічная епігенетична модифікація генів є одним з основних механізмів, що забезпечують диференціальну експресію генів клітин різних тканин в ході розвитку.

Встановлено, що в основі епігенетичної «маркування» окремих ділянок геному і явища геномного імпринтингу зокрема лежать специфічні структурно-молекулярні зміни окремих ділянок хромосом, що відбуваються під час формування чоловічих і жіночих статевих клітин, які призводять до стійких функціональних відмінностей експресії гомологічних генів у потомства. Основну роль в цьому процесі відводять специфічного для особин різної статі метилированию цитозинових підстав в ЦГ-дінуклеотід ДНК, яке встановлюється під час гаметогенезу і вимикає транскрипцію генів.

Специфічні для батьків епігенетичні відбитки, що пригнічують транскрипцію генів, стираються в прімордіальних статевих клітинах плода і знову встановлюються в зрілих статевих клітинах нащадка відповідно до його підлогою, забезпечуючи диференціальну експресію батьківських або материнських генів в наступному поколінні.

Тканеспеціфічное метилювання цитозинових залишків ДНК у ссавців здійснюється за допомогою 4-х ДНК-метилтрансферази і підтримує специфічний малюнок метилування (рис. 24) в мітотичний розмножуються клітинах. Після реплікації дві полуметілірованние дочірні молекули ДНК розпізнаються цим ферментом і конвертуються в повністю метиловані.

Рис.24. метилирование ДНК

Більш того, існує припущення, що порушення епігенетичної регуляції генів може визначати розвиток комплексних (мультифакторіальних) захворювань, Підтримка потрібного статусу метилювання геному є неодмінною умовою нормального розвитку у мишей, а Аберрантное метилювання пов'язано з виникненням пухлин і аномалій розвитку у людини.

В останні роки стало ясно, що механізм компактізаціі- декомпактізаціі хроматину безпосередньо пов'язаний з репрессіей- дерепресія локалізованих в ньому генів, і встановлено особливий клас захворювань людини, обумовлений дефектами структури та модифікації хроматину - так звані «хроматіновие хвороби». Показано, що до метилірованої ДНК приєднуються білки, що розпізнають метиловані підстави завдяки наявності в них особливих метил-ЦГ-зв'язуються доменів. Відомі 4 види таких білків. Вони взаємодіють з гистонами.

Деацетилювання гістонів, ремоделирующих структуру хроматину, підвищуючи ступінь його компактизації, що призводить до репресії транскрипції. Ацетилювання гістонів, навпаки, знімає репресію.

Процеси метилування тісно пов'язані з виникненням пухлин. Передбачається, що в процесі еволюції метилювання виникло вже в одноклітинних як засіб захисту від проникнення в клітину чужих ДНК, наприклад вірусних. Метилирование могло б инактивировать гени інфекційних агентів, що проникають в клітку. Метилирование могло б також перешкоджати розмноженню так званих рухомих елементів геному, які часто розглядаються як геномні паразити, які мають на меті лише в поширенні по геному власної ДНК.

Система метилування генів і геномної імпрінтінг виникли у хребетних. У безхребетних метилування цитозину, як правило, відсутня.

За своєю суттю, метилювання - подія епігенетичні. Порушення регуляції метилювання в ембріогенезі може призводити до загибелі організму. Зміна ступеня метилювання в соматичних клітинах дорослого організму спостерігається при деяких патологічних станах у людини, в тому числі і злоякісних новоутвореннях.

Проблема геномного імпринтингу з общебиологической перейшла в практичну область досліджень клінічної генетики. Подальше його вивчення дозволить поліпшити діагностику та профілактику цілого ряду спадкових захворювань.

Багато дослідників вважають, що у вищих організмів важливим епігенетичних процесом може бути хімічна модифікація ДНК. Зокрема, в управлінні генетичним перемиканням в країнах, що розвиваються клітинах може брати участь приєднання метильної (СН3) групи до цитозин, т. Е. Метилювання ДНК.

Очевидно, від одного покоління клітин до іншого передаються без зміни не будь-які регуляторні білки, а метильние групи в складі ДНК. Можливо, що наявність або відсутність метильних груп служить сигналом для регуляторних білків і в результаті ці білки взаємодіють з ДНК в дочірніх клітинах так само, як у батьківській клітині. Експерименти по активації генів в культурах клітин вельми переконливо свідчить на користь зв'язку між генної експресією і метилированием ДНК.

Так, дослідження статевих хромосом жіночого організму (ХХ) показало, що вони метиловані неоднаково. Зокрема, в неактивній Х-хромосомі виявилися метилірованої ділянки регуляторних генів «внутрішнього вжитку» (т. Е. Гени, активні у всіх клітинах). В активній ж гомологичной хромосомі ці дільниці не метиловані. Таким чином, метилювання ДНК - важливий епігенетичні фактор у розвитку вищих організмів. Функції генів взаємопов'язані і можуть змінюватися аж до диференціального виключення одного з алелів протягом усього онтогенезу. Такі випадки успадкування пояснюють генетичним импринтингом.

Генетичний импринтинг може виявлятися не тільки на рівні гена або кластера генів. Він може зачіпати цілу хромосому (однородітельскіе дісоміі) і навіть геноми. Ефекти геномного імпринтингу у людини вивчені на прикладі міхура занесення (табл.4).

Табл.4. Наслідки різних варіантів импринтинга цілого генома у людини

 Генетична «композиція»  наслідки
 1. хромосомний набір 2n. Яйцеклітина без ядра. Два сперматозоїда з Х-хромосомами (андрогенез) 2. хромосомний набір 2n. Яйцеклітина з подвійним набором хромосом. Сперматозоїди не беруть участі в заплідненні (гіногенез) 3. хромосомний набір Зn. Андроїд (2 батьківських + 1 материнський) 4. хромосомний набір Зn. Гіноід (2 материнських + 1 батьківський)  1. ранній ембріогенез нормальний. Далі тканини власне ембріона не формуються. Бурхливо розростається трофобласт з утворенням повного міхура заноса2. утворюється тератома, що включає всі 3 зародкових листка. Плацентарна тканина відсутня 3. велика голова плода. Маленьке веретеноподібне тіло. Відставання в рості і розвитку. Частковий міхурово занос4. плацента недорозвинена. Ембріон і плід не розвиваються (недіфференцірованнаяклеточная маса)

З представлених в таблиці даних можна зробити висновок, що розвиток плаценти забезпечується геномом батька, а ранній розвиток ембріональних структур забезпечується геномом матері.

Гормональна регуляція експресії генів. Регуляція за допомогою гормонів - це окремий випадок регуляції на рівні транскрипції. Таким шляхом організм змушує клітину «включити» певні гени в відповідь на зовнішній стимул. Так, стероїдні гормони з тих клітин, де вони були синтезовані, потраплять, в кінцевому рахунку, в цитоплазму відповідних клітин-мішеней, звідки спеціальний транспортний білок перенесе їх в ядро, де вони зможуть активувати ті або інші гени шляхом прямої взаємодії з хроматином у відповідних місцях. Кожен гормон активує свій набір генів. Таким способом забезпечується відповідність реакції клітини роду сигналу, який клітина сприймає через посередництво відповідного гормону. Гормони зв'язуються з особливими білками рецепторами, утворюючи з ними комплекс. Активоване гормоном рецептор набуває здатність впізнавати певні послідовності ДНК, в результаті ген інактивується.

Наприклад: вплив тестостерону на розвиток тканин організму за чоловічим типом при наявності специфічного білка-репрессора.

Встановлено, що одне лише присутність гена Y-хромосоми, який визначає диференціювання статевих залоз за чоловічим типом і синтез гормону тестостерону, не здатна забезпечувати розвиток організму чоловічого типу. Для цього необхідний також білок-рецептор, що забезпечує проникнення гормону в клітини тканин-мішеней. 3а синтез такого білка відповідає особливий ген, розташований в іншій хромосомі. Його мутація, що порушує утворення нормального білка-ферменту, робить тканини-мішені несприйнятливими до гормону, направляючої їх розвиток за чоловічим типом. В результаті гормон не проникає в клітину-мішень і не включається певний набір генів. Не використавши таку можливість на певному етапі онтогенезу, організм здійснює розвиток за жіночим типом. В результаті з'являється особина з каріотипом ХY, але зовні більш схожа з жінкою. Такі люди не здатні мати потомство, так як статеві залози (насінники) недорозвинені, а їх вивідні протоки часто формуються з жіночого шляху (недорозвинена матка, наявність піхви). Т. о., Вторинні статеві ознаки формуються такі ж, як і у жінки. Ця патологія називається тестикулярная фемінізація або синдром Морріса.




ПАВЛІЧЕНКО В. І. | АБРАМОВ А. В. | Введення в молекулярну біологію. | Макромолекули як об'єкти вивчення молекулярної біології | Будова, функції та властивості ДНК. | Реплікація теломерна відділів ДНК. | Молекулярна організація генів. | РНК і її роль в збереженні і реалізації спадкової інформації. | Лікарські засоби, що впливають на синтез нуклеїнових кислот і білків. | Організація геномів неклітинних і клітинних організмів |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати