Молекулярно-генетический уровень жизни

Регуляция экспрессии гена и степени проявления признака
В любой клетке различие между ее фенотипом и генотипом определяется механизмами регуляции работы генов, кодирующих структуру мРНК и полипептидов, рРНК и тРНК.
Известно несколько типов механизмов, с помощью которых один и тот же набор генов в неодинаковых условиях жизнедеятельности организма и на разных стадиях развития детерминирует синтез белков.

Регуляция экспрессии (выражения) генов может осуществляться на нескольких уровнях:
генном – изменение количества или локализации генов, контролирующих данный признак;
транскрипционном – определяет, какие и сколько иРНК должны синтезироваться в данный момент;
трансляционном – обеспечивает отбор иРНК, транслирующихся на рибосомах;
функциональном – связан с аллостерической регуляцией активности ферментов.
Контроль действия генов может осуществляться путем посттрансляционной модификации полипептидов, посттранскрипционной модификации иРНК и другими путями.
Регуляция экспрессии гена и степени проявления признака

регуляция осуществляется за счёт увеличения или уменьшения количества копий генов (реже ДНК или хромосом), необходимых или ненужных в данный момент
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА И СТЕПЕНИ ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКА.
РЕПЛИКАЦИОННЫЙ УРОВЕНЬ

Путем:
полиплоидизации – кратного увеличения числа хромосом,
политенизации хромосом – возникновения многократно реплицированных хромосом,
амплификации – умножения количества копий генов.
Регуляция экспрессии гена. Репликационный уровень.

Прокариоты
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА И СТЕПЕНИ ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКА.
ТРАНСКРИПЦИОННЫЙ УРОВЕНЬ

Действующие в клетках прокариот регуляторные механизмы обеспечивают:
Возможность включения (дерепрессии) или выключения (репрессии) экспрессии гена в ответ на изменение внешних условий;
Программированное каскадное включение экспрессии многих генов.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Прокариоты

При первом типе регуляции:
одни гены в норме репрессированы, и их дерепрессия происходит под влиянием индукторов,
другие находятся в дерепрессированном состоянии и репрессируются собственными продуктами.
Несмотря на это различие, принципиальные механизмы регуляции обеих групп генов сходны.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Прокариоты

* У E.coli ферменты, обеспечивающие утилизацию сахаров в качестве единственных источников углерода и азота, синтезируются лишь в ответ на появление в среде индуктора–субстрата, которым служит соответствующий сахар.
До появления субстрата в среде ген, ответственный за синтез фермента, осуществляющего его гидролиз, неактивен, или репрессирован. Под действием индуктора происходит дерепрессия гена: он включается (индуцируется).
* Большинство генов, кодирующих ферменты синтеза аминокислот у E.coli или S. typhimurium, функционируют, когда в среде культивирования отсутствуют соответствующие аминокислоты. При выращивании в питательной среде, содержащей достаточное для роста количество этих же аминокислот, экспрессия кодирующих генов подавляется.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Прокариоты

2. Регуляция второго типа:
Обнаружена у фагов, инфицировавших клетки бактерий – обеспечивает запуск «цепной реакции» включения многих генов.
При сравнении наборов фаговых иРНК были открыты «ранние» и «поздние» фаговые гены, причем каждая группа генов функционирует лишь на определенной стадии репродукции фага.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Прокариоты

Оба типа регуляции осуществляются в отношении лишь тех генов, постоянное функционирование которых нежелательно для клетки, поскольку при этом расходуется энергия, необходимая для ее роста и размножения в условиях, когда продукты, кодируемые этими генами, не требуются – это аддаптивные гены.
Многие же гены детерминируют синтез таких продуктов, которые нужны клетке постоянно, подобные гены обычно экспрессируются постоянно, поэтому их называют конститутивными.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Прокариоты

Оперонная
регуляция
Ф. Жакоб и Ж. Моно
1961 г.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Прокариоты

Оперонная регуляция – транскрипция группы структурных генов, кодирующих полипептиды, тесно связанные между собой функционально, регулируется двумя контролирующими элементами –
геном-регулятором и оператором.
Оперон – последовательность ДНК, состоящая из тесно сцепленных структурных генов, оператора и промотора, и образующая единицу генетической регуляции.
Ген-регулятор – активатор или ингибитор транскрипции – может локализоваться рядом с опероном или на расстоянии от него.
Оперонная регуляция.
Общие положения.

регуляторный
ген (R)
ОПЕРОН
промотор (P)
оператор (O)
структурные гены (1,2,3)
РНК-полимераза
Оперонная регуляция.
Общие положения.

Ген-ингибитор опосредует синтез белка-репрессора, который присоединяется к оператору и блокирует транскрипцию структурных генов, создавая стерические препятствия для присоединения РНК-полимеразы к специфичному участку-промотору, необходимому для инициации транскрипции.
Ген-активатор опосредует синтез белка-апоиндуктора, его присоединение к оператору создает условия для инициации транскрипции.
В регуляции работы оперонов участвуют также низкомолекулярные веществам – эффекторы, выступающие как индукторы или корепрессоры структурных генов, входящих в состав оперонов.
Оперонная регуляция.
Общие положения.

Типы оперонов – в зависимости от влияния:
индуцируемые, индуцибельные (катаболизирующие) – включающиеся в работу, регулируют синтез ферментов, расщепляющих субстрат, поступающий в клетку – лактозный оперон,
репрессируемые, репрессибельные (синтезирующие) – выключающиеся из работы, регулируют синтез фермент, участвующих в процессе синтеза какого-либо вещества в клетке – триптофановый оперон.
Оперонная регуляция.
Общие положения.

Типы регуляции оперонов:
негативная (регулирующий ген – ингибитор) – эффектор связывается с белком-репрессором, что приводит к его инактивации или активации и соответственно индуцирует либо репрессирует транскрипцию оперона ,
позитивная (регулирующий ген – активатор) – эффектор присоединяется к апоиндуктору, что разрешает, или наоборот, блокирует транскрипцию в зависимости от того, какую форму (активную или неактивную) приобретает апоиндуктор в результате связывания с эффектором.
Оперонная регуляция.
Общие положения.

Оперонная регуляция.
Общие положения.

Lac-оперон – полицистронный оперон кишечной палочки (Escherichia coli), кодирующий гены метаболизма лактозы.
Структурные гены оперона:
lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,
lacY кодирует β-галактозидпермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки,
lacA кодирует β-галактозидтрансацетилазу, фермент, переносящий ацетильную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.
Оперонная регуляция. Lac-оперон

Ген-регулятор lac-оперона (lacI), кодирует белок–репрессор – тетрамер, образованный четырьмя копиями продукта гена lacI – полипептидами, состоящими из 360 аминокислот.
Оперонная регуляция. Lac-оперон

Основной способ регулирования – это негативная индукция.
В безлактозной среде активный белок-репрессор связывается с оператором и препятствует посадке РНК-полимеразы на промотор – транскрипция не идет.
На работу гена будет влиять лактоза – она одновременно и субстрат и индуктор, в ее присутствии белок-репрессор покидает оператор и структурные гены транскрибируются.
Оперонная регуляция. Lac-оперон

А
Индуктор отсутствует
R
P
O
1
2
3

Индуктор в среде
Б
R
R
P
P
O
O
1
1
2
2
3
3
+

В
Индуктор исчез из среды
R
P
O
1
2
3

Дополнительный способ регулирования – позитивная индукция.
В среде с низким содержанием глюкозы и наличием лактозы происходит активация оперона с помощью апоиндуктора.
Промоторная последовательность лактозного оперона «слабая», поэтому даже при отсутствии белка-репрессора на операторном участке транскрипция практически не инициируется.
Оперонная регуляция. Lac-оперон

Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму – цАМФ (индуцирующий эффектор). Глюкоза является ингибитором фермента аденилатциклазы.
цАМФ + неактивный апоиндуктор (белок, активирующим катаболизм (САР), = взаимодействие с промотором, изменение его конформации и повышение сродства РНК-полимеразы к данному участку.
Оперонная регуляция. Lac-оперон

Оперонная регуляция. Lac-оперон

Триптофановый оперон – оперон, содержащий гены ферментов, задействованных в биосинтезе аминокислоты триптофан.
Был описан в 1953 году Жаком Моно и сотрудниками; подавляется триптофаном, за биосинтез которого ответственен данный оперон.
Содержит 5 структурных генов (цистронов), кодирующих субъединицы триптофансинтазы:
trpE,
trpD,
trpC,
trpB,
trpA.
Оперонная регуляция. Trp-оперон

Оперонная регуляция. Trp-оперон

Основной способ регулирования – это негативная репрессия.
На значительном расстоянии от оперона находится ген trpR, кодирующий белок, подавляющий экспрессию триптофанового оперона. Белок-репрессор синтезируется в неактивном виде.
Белок-репрессор в присутствии триптофана связывается с оператором и блокирует транскрипцию оперона.
Оперонная регуляция. Trp-оперон

Второй способ регулирования – это аттенюация.
Сразу после оператора в триптофановом опероне располагается последовательность – лидерная. Она кодирует лидерный пептид.
В состав лидерной последовательности входит особая аттенюаторная последовательность (аттенюатор), которая влияет на вторичную структуру синтезируемой мРНК.
Для правильной работы аттенюатора чрезвычайно важна одновременность процессов транскрипции и трансляции лидерного пептида. Чтобы обеспечить её, в лидерной области имеется особый «сайт паузы». Достигнув его, РНК-полимераза приостанавливает транскрипцию, пока не начнётся трансляция.
Таким образом, процессы транскрипции и трансляции протекают синхронизированно. А трансляция может влиять на транскрипцию.
Оперонная регуляция. Trp-оперон

Высокая концентрация триптофана в среде.
В начале первого гена оперона закодировано несколько остатков триптофана; в присутствии триптофана трансляция этого участка идет с нормальной скоростью, и перед рибосомой образуется терминирующая шпилька, которая влияет на РНК-полимеразу, в результате чего транскрипция останавливается.
Оперонная регуляция. Trp-оперон

2. Низкая концентрация триптофана в среде.
При низкой концентрации триптофана рибосома «застопоривается» на триптофановых кодонах – их трансляция занимает больше времени. В результате РНК формирует альтернативную вторичную структуру, которая не приводит к терминации транскрипции, рибосома расплетает ее, и экспрессия оперона продолжается.
Оперонная регуляция. Trp-оперон

Эукариоты
РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА И СТЕПЕНИ ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКА.

Конденсация и деконденсация хроматина. Это наиболее универсальный метод регуляции транскрипции. Когда нужно экспрессировать определенные гены, хроматин в этом месте деконденсируется.
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.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Эукариоты

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.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Эукариоты

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.
Регуляция экспрессии гена. Транскрипционный уровень. Эукариоты

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 (распадается) или подвергается с задержкой. Это также можно рассматривать как способ регуляции экспрессии генов.
Регуляция экспрессии гена. Уровень процессинга. Эукариоты

Регуляция стабильности иРНК. Готовые иРНК не «допускаются» к рибосомам или разрушаются. Другие же иРНК могут дополнительно стабилизироваться для многократного использования.
Посттрансляционная модификация белка. Чтобы молекула полипептида превратилась в активную молекулу белка, в ней должны произойти различные модификации определенных аминокислот, должны быть сформированы вторичная, третичная и возможно четверичная структуры. На этом этапе также можно повлиять на реализацию генетической информации, например, не дав молекуле сформироваться.
Регуляция экспрессии гена. Трансляционный уровень. Эукариоты

Риборегуляторы. Были обнаружены РНК, выполняющие регуляторные функции путем ослабления работы отдельных генов.
Регуляция экспрессии гена. Трансляционный уровень. Эукариоты