Экспрессия генов как у прокариот, так и у эукарит регулируется при помощи целого ряда механизмов. Некоторые из механизмов такого рода, действующие в бактериальных системах, изучены довольно хорошо, но о том, как действуют регуляторные механизмы в клетках эукариот известно немного.

Осуществляя контроль за тем, каким генам экспрессироваться, а каким нет, а также регулируя уровень экспрессии различных генов, клетки приспосабливают свой фенотип к определенным условиям внешней и внутренней среды. Часто гены экспрессируются последовательно: активация одного гена вызывает экспрессию другого или нескольких генов, приводя, в конечном счете, к каскаду событий. Некоторые гены или родственные группы генов экспрессируются координировано, т.е. отвечают на регуляторный сигнал одновременно и, как правило, в одинаковой степени. Вероятно, наиболее совершенные регуляторные системы – те, которые позволяют плюрипотентным стволовым клеткам (митотически активные клетки, в результате деления которых происходит замещение погибших клеток в многоклеточном организме) дифференцироваться с образованием клеток разного типа в процессе развития сложного организма.

Фенотипические признаки клеток разных типов, а также одной и той же клетки в различных условиях зависят от количества и свойств продуцируемых ими структурных, каталитических и регуляторных белков. Регулироваться может какой-то один или несколько отдельных этапов считывания генетической информации при синтезе белка.

Прокариоты

Прокариоты – это простейшие одноклеточные организмы, которым для того, чтобы выжить, требуется лишь благоприятная химическая среда.

Некоторые необходимые понятия.

Репрессор – это белок, блокирующий транскрипцию гена. В lac-системе репрессор представляет собой тетрамерный белок, и называется lac-репрессором. Он связывается с определенным участком на ДНК, который называется оператором.

Оператор (О) представляет собой небольшой участок ДНК, граничащий с первым структурным геном. Белок-репрессор может связываться с этим участком, блокируя тем самым инициацию транскрипции. Операторная последовательность, с которой связывается репрессор, содержит участок палиндромной ДНК. Последовательность с ось симметрии второго порядка (прозрачка 1), является частью места связывания с репрессором в lac-опрероне.

Промотор (Р) – это небольшой участок ДНК перед оператором. Он служит местом связывания РНК-полимеразы. Место связывания репрессора (О) и участок Р слегка перекрываются, так что, когда репрессор находится на ДНК, РНК-полимераза не может связаться с промотором и транскрипция не идет.

Индуктор представляет собой низкомолекулярное вещество, который связывается с репрессором и переводит его в неактивную форму, неспособную более связываться с оператором. Так, в lac-системе индуктором является лактоза, после ассоциации с которой, репрессор отсоединяется от lac-оператора. Индукция является одной из форм негативной регуляции, называется так потому, что транскрипция может идти лишь после удаления репрессора. Еще одной разновидностью негативной регуляции является так называемая катаболитная репрессия.

Репрессия происходит тогда, когда репрессор связывается с оператором не иначе как в комплексе с низкомолекулярным кофактором (корепрессором). Таким корепрессором часто бывает конечный продукт белкового синтеза, кодируемый опероном. Тогда, если концентрация этого продукта становится слишком высокой, он связывается с репрессором, и дальнейший его синтез прекращается. Примером такой системы может служить триптофановый оперон.

Регуляция содержания РНК в процессе биосинтеза

Регуляция образования РНК осуществляется на уровне инициации транскрипции:

1) за счет модификации структуры РНК-полимеразы. Так, β-субъединица РНК-полимеразы E.coli изменяется при заражении клеток некоторыми бактериофагами, а при споруляции определенных штаммов Bacillus наблюдается образование новой σ-субъединицы. В обоих случаях изменяется способность РНК-полимеразы к связыванию с промотором и скорость транскрипции соответствующих генов.

2) Заключается в изменении пространственной структуры ДНК, что влияет на способность РНК-полимеразы связываться с определенными промоторами и инициировать синтез РНК.

3) Ингибирование или стимулирование взаимодействия РНК-полимеразы с некоторыми промоторами при участии белков, которые связываются с ДНК в месте присоединения полимеразы или вблизи него. На связывание таких регуляторных белков – репрессоров и активаторов – часто влияют определенные метаболиты, играющие роль корепрессоров и коактиваторов.

Предположение об индукции синтеза ферментов было высказано Жакобом и Мано в 1961 г., для того, чтобы объяснить, каким образом бактериальные клетки реагируют на изменения окружающей их среды. Если для обеспечения жизнедеятельности клетки необходим какой-то метаболит, она должна быть способна к синтезу ферментов, которые «пристроят» его в нужное место. Однако синтезировать такие ферменты в отсутствии соответствующего метаболита было бы для клетки расточительством.

Согласованная регуляция экспрессии прокариотических генов

Согласованная регуляция групп родственных генов. У Е. coli гены, кодирующие белки одного и того же метаболического пути или определяющие близкородственные функции, часто регулируются согласованно. Это значит, что их экспрессия начинается и заканчивается или согласованно продолжается в ответ на один и тот же регуляторный сигнал. Гены, подчиняющиеся согласованной регуляции, в геноме часто бывают сцеплены и транскрибируются с промотора, находящегося на 5'-конце такой группы генов (кластера), в виде единственной молекулы РНК, называемой полицистронным (или полигенным) транскриптом. Группа координированно экспрессирующихся генов называется опероном.

Гены, кодирующие несколько родственных функций, не всегда образуют единый оперон. Так, гены, кодирующие 30S- и 50S-рибосомные белки, организованы во множественные оперoны, в чей состав иногда входят гены, кодирующие другие белки, которые участвуют в транскрипции и/или трансляции. Как правило, отдельные опероны, кодирующие родственные функции, имеют одинаковые или сходные регуляторные последовательности и поэтому реагируют на определенный регуляторный сигнал сходным образом.

Позитивная и негативная регуляция

- Негативная регуляция инициации транскрипции, или репрессия, осуществляется белками-репрессорами, которые связываются с операторами. Поскольку последовательности оператора и промотора часто перекрываются, связывание репрессоров со своими операторами ограничивает доступ РНК-полимеразы к промотору, подавляя тем самым инициацию транскрипции.

- Позитивная регуляция может осуществляться путем связывания специфических белков с нуклеотидными последовательностями, расположенными в области промотора. Считается, что связанный активаторный белок способствует ассоциации РНК-полимеразы с промотором и, следовательно, увеличивает вероятность инициации транскрипции.

а) Регуляция экспрессии галактозного оперона