Методичка по мол биологии (там не все)

ции способствует формированию структур, приводящих к преждевременной терминации транскрипции. Если рибосома же медленно транслирует лидерный участок иРНК (при низких концентрациях триптофана), то формируется структура, способствующая продолжению транскрипции. В результате синтезируется иРНК, при трансляции которой образуются белки, ответственные за синтез триптофана

Регуляция на уровне терминации

Как правило, синтез РНК заканчивается в области терминатора. Однако в некоторых случаях РНК-полимераза не замечает терминатор и прочитывает его, продолжая синтез РНК (рис. 8.13) за его пределами. Этот процесс получил название – антитерминация. Антитерминацию осуществляют специальные белки-антитерминаторы. В результате антитерминации транскрибируются гены, расположенные за терминатором.

Рис. 8.13. Антитерминация. А – синтез РНК завершается в области терминатора. Б – РНК-полимераза при участии белков-антитерминаторов транскрибирует гены, расположенные за терминатором. Р – промотор, Т – терминатор.

Эукариоты

Эффективность экспрессии генов на уровне транскрипции у эукариот зависит от различных факторов. Роль промоторов, энхансеров, сайленсеров, факторов транскрипции рассматривалась ранее в разделе «Транскрипция». В этом разделе мы подробнее остановимся на других способах регуляции экспрессии генов.

112

Влияние стероидных гормонов на экспрессию генов

Стероидные гормоны регулируют многочисленные биологические процессы, протекающие в организме эукариот. Их действие опосредовано через их влияние на генетический аппарат клеток.

Стероидные гормоны гидрофобны, поэтому они способны легко проникать через клеточные мембраны внутрь клетки в цитоплазму. Здесь гормон взаимодействует с белком-рецептором, являющимся по своей сути фактором транскрипции, с образованием гормонрецепторного комплекса. Образовавшийся комплекс проникает внутрь ядра клетки, где он взаимодействуя с определенными нуклеотидными последовательностями, активирует транскрипцию зависимых от стероидных гормонов генов. В результате их активации происходит синтез иРНК, которая транспортируется в цитоплазму, где и осуществляется ее трансляция с образованием белков (рис. 8.14). Таким образом, стероидные гормоны обеспечивают синтез белков, которые в конечном итоге и определяют их биологическое действие. Надо отметить, гормон-рецепторный комплекс в ряде случаях тормозит экспрессию некоторых генов.

Рис. 8.14. Механизм действия стероидных гормонов

113

Влияние гормонов щитовидной железы на экспрессию генов

Гормоны щитовидной железы тироксин и трииодтиронин влияют на протекание многочисленных биологических процессов в организмах человека и животных. Эти гормоны являются производ-

ными аминокислоты тирозина (рис. 8.15).

I I

HOOCH2 CH COOH

NH2

I

Трииодтиронин

Рис. 8.15. Гормоны щитовидной железы

На рисунке 8.16 представлен механизм действия тироксина. Этот гормон, так же как и стероидные гормоны, действует на генетическом уровне. Он, проникая через клеточную мембрану, подвергается деиоди-

рованию, превращаясь в трииодтиронин. Последний, образуя комплекс с рецептором, активирует транскрипцию определенных генов. Синтезиро-

ванная иРНК транспортируется из ядра в цитоплазму, где она выполняет роль матрицы для синтеза белка. Вновь образовавшиеся белки обеспечи-

вают гормональный эффект тироксина.

114

При втором варианте (рис. 8.18) гормон опосредованно через ре-

цептор активирует протеинкиназу, которая фосфорилирует цито-

плазматический фактор транскрипции. Последний после фосфорили-

рования проникает в клеточное ядро, связывается с ДНК и запускает серию событий, аналогичных рассмотренным выше.

Рис. 8.18. Сигнал от гормона в генетический аппарат клетки через рецептор передает фосфорилированный протеинкиназой фактор транскрипции.

ПК – протеинкиназа, ФТ – фактор транскрипции, Р – фосфатная группа

При третьем варианте после взаимодействия гормона с рецепто-

ром протеинкиназа осуществляет фосфорилирование ингибиторной субъединицы в белковом комплексе ингибитор-фактор транскрипции

(рис. 8.19). В результате такого фосфорилирования комплекс распа-

дается. Освободившийся фактор транскрипции проникает в ядро и,

связавшись с ДНК, запускает серию событий, в результате которых в клетке наблюдается биологический ответ на действие гормона.

117

Только в единичных случаях иРНК прокариот подвержена созреванию. В связи с этим регуляция экспрессии генов у них на уровне созревания иРНК не выражена.

У эукариот в отличие от прокариот иРНК подвергается многочисленным модификациям. К 5’-концу присоединяется кэп, 3’-конец – полиаденилируется. Кэп способствует правильному протеканию инициации трансляции. ПолиА-последовательность защищает 3’-конец иРНК от деградации кодирующих последовательностей, увеличивая ее продолжительность существования. О процессинге иРНК более подробно рассмотрено в главе 5 «РНК, процессинг РНК».

Особое значение в регуляции экспрессии генов на уровне созревания иРНК принадлежит альтернативному сплайсингу. В случае альтернативного сплайсинга из единого предшественника образуются несколько иРНК, отличающиеся друг от друга составом экзонов. Белки, образующиеся при трансляции таких иРНК имеет с одной стороны идентичные элементы организации, а с другой будут отличаться фрагментами полипептидных цепей (рис. 8.20.).

Рис. 8.20. В результате трансляции иРНК, образовавшейся посредством альтернативного сплайсинга, синтезируются белки,

имеющие идентичные и различные фрагменты полипептидных цепей

Направление пути альтернативного сплайсинга регулируется специальными белками, взаимодействующими с предшественниками РНК в области интронов или на границе интрон-экзон.

Альтернативный сплайсинг имеет большое биологическое значение. От его направления зависит формирование пола у дрозофилы. Случаи альтернативного сплайсинга достаточно широко представле-

119

ны в мышечной ткани, нервной ткани, при синтезе факторов транскрипции и т.д..

Редактирование РНК

После транскрипции первичная структура РНК может подвергаться редактированию – замене одних оснований другими. Редактирование характерно для митохондриальной иРНК. У высших растений исправляется 3 – 15 % митохондриальной РНК, простейших – до 50 %. Редактирование РНК наблюдается и в пластидах, там оно составляет 0,13 % кодонов. В процессе редактирования обычно Ц заменяется на У, иногда происходит замена У на Ц. Исправляются преимущественно кодирующие последовательности, но могут модифицироваться стоп-кодоны и последовательности внутри интронов. Редактирование осуществляется специфическими ферментами.

РЕГУЛЯЦИЯ НА УРОВНЕ ДЕГРАДАЦИИ иРНК

Скорость синтеза каждого конкретного белка зависит от содержания в клетке соответствующей ему иРНК. Чем выше концентрация иРНК, тем, очевидно, и выше скорость синтеза закодированного в ней белка. Количество иРНК в клетке зависит не только от скорости ее синтеза, но и интенсивности ее деградации. Время полужизни иРНК прокариот составляет всего несколько минут, в то время как это показатель у эукариот колеблется от нескольких десятков минут до нескольких суток. В связи с этим роль деградации иРНК в регуляции экспрессии генов у эукариот более выражена, чем прокариот.

В качестве примера рассмотрим значение контролируемой деградации иРНК в регуляции синтеза рецептора трансферина.

Регуляция синтеза рецептора трансферина

Скорость поступления железа в клетку зависит от наличия на ее поверхности рецептора трансферина – белка переносчика железа. При недостатке железа в клетке происходит эффективный синтез рецептора трансферина. Вновь синтезированные молекулы рецептора располагаются на клеточной мембране и обеспечивают поступления железа в клетку. При высоком содержании железа в клетке происходит деградация иРНК рецептора трансферина. Что приводит к снижению скорости синтеза рецептора. В результате количество их молекул на мембране уменьшается, что приводит к ослаблению поступления железа в клетку.

120