Регуляция транскрипции у эукариот

 

РЕФЕРАТ

На тему:

 

«Регуляция транскрипции у эукариот»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 

                                                                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кострома 2014

Содержание:

1. Введение
2. Регуляция транскрипции
3. Транскрипция у эукариот
4. Регуляция экспрессии генов у эукариот
5. Список литературы

 

Введение

Регуляция транскрипции генов у эукариот характеризуется рядом особенностей, связаных с необходимостью поддержания координированной экспрессии генов в сложноорганизованной генетической системе. В организме человека гистологически различают около 100 типов клеток, каждый с уникальным набором генов, начинающих функционировать во время дифференцировки клеток-предшественников. Процесс формирования органов и тканей сопровождается пролиферацией строго определенных групп клеток, и упорядоченным во времени и пространстве перемещением клеток.

 

Гены высших организмов подразделяют по функциональному признаку на две группы: " гены домашнего хозяйства" и " гены роскоши". К первой группе относятся гены, функционирующие повсеместно, на всех стадиях жизненного цикла организма. Они обеспечивают процесс гликолиза, биосинтез аминокислот и нуклеотидов, катаболизм белков и т.п. Гены, относящиеся ко второй группе, экспрессируются лишь в специализированных клетках и являются маркерами дифференцированных состояний.

 

Сложность жизненного цикла многоклеточных организмов определяет особенности функционирования генов. Большое число генов и целые блоки генов функционируют на определенных стадиях эмбриогенеза. У человека к ним относятся, например, гены альфа - фетопротеина. Экспрессия этих генов в клетках взрослого организма свидетельствует о развитии патологического процесса, в частности, злокачественных новообразований в печени. Примером такого рода является избирательная инактивация одной из X-хромосом у самок млекопитающих.

 

Тканеспецифический характер экспрессии генов роскоши обеспечивается различными механизмами взаимодействия белковых факторов транскрипции с регуляторными последовательностями нуклеиновых кислот. Транскрипцию генов высших организмов осуществляют три различные РНК-полимеразы. При этом для промоторов каждой из них характерны специфические регуляторные последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют свои факторы транскрипции, изменяющие уровень транскрипции соответствующих генов.

 

Эукариотические факторы транскрипции реализуют механизм регуляции экспрессии генов комбинаторного типа. Молекулы факторов транскрипции обладают консервативными доменами, которые дают им возможность осуществлять высокоспецифические белок - белковые и белково-нуклеиновые взаимодействия. In vivo происходит объединение факторов транскрипции и других регуляторных белков в большие регуляторные комплексы. Каждое новое сочетание факторов придает комплексу уникальные регуляторные свойства, обеспечивая изменение специфичности его взаимодействия с регуляторными последовательностями ДНК и регуляторными белками аппарата транскрипции.

 

Уникальна способность эукариот использовать для регуляции транскрипции генов изменения структуры хроматина. С помощью таких механизмов осуществляется репрессия и дерепрессия генов во время дифференцировки клеток, и поддерживается соответствующее функциональное состояние отдельных генов, их больших массивов и целых хромосом на протяжении всей жизни организма. Перестройки хроматина в окрестностях регуляторных участков генов происходят и в связи с более тонкой регуляцией их транскрипции.

 

В процессе синтеза и после его завершения первичный транскрипт подвергается посттранскрипционным модификациям и процессингу. Таким образом, генетической информации, заключенной в конкретном гене, недостаточно для полноценной экспрессии, и чтобы ген правильно функционировал, требуется координированная работа дополнительных генов, многие из которых активны не вблизи регулируемых генов, а в других тканях, удаленных от клеток - мишеней. Для осуществления такой передачи регуляторных сигналов на большие расстояния в организме присутствуют специальные системы, осуществляющие генерацию, перенос и специфическое распознавание сигналов клетками.

 

 

 

 

 

 

 

Регуляция транскрипции

Регуляция транскрипции генов высших организмов сходна с регуляцией экспрессии генов прокариотов. Основное различие состоит в значительно большем количестве участков ДНК и регуляторных факторов, контролирующих этот процесс.

 

У животных и человека различные гены экспрессируются в разные моменты времени и с разной интенсивностью. Здесь, так же, как у прокариотов, есть гены "домашнего хозяйства", транскрибирующиеся конститутивно, т.е. постоянно и во всех тканях. Это гены гликолиза, синтеза РНК и некоторых белков (например, альбумина). Существуют гены, транскрибирующиеся только в специализированных клетках, т.е. имеет место тка-неспецифическая экспрессия. Например, экспрессия генов α- и β-цепей глобина происходит только в клетках-предшественниках эритроцитов. Многие гены подвергаются адаптивной регуляции и являются объектами индуцибельных воздействий или негативного контроля.

 

Ранее уже говорилось о том, что минимальный синтез любого белка поддерживается в том случае, если к ТАТА - участку промотора присоединяется ТАТА-связывающий белок, факторы транскрипции и РНК-полимераза, образующие инициирующий комплекс, осуществляющий синтез небольшого количества мРНК. Формирование комплекса - многоступенчатый процесс, от образования которого зависит скорость инициации транскрипции. Идентифицировано более 100 различных белков, способных взаимодействовать со специфическими регуляторными последовательностями ДНК, влияя главным образом на процесс сборки транскрипционного комплекса и скорость транскрипции.

 

Эти белки имеют один или несколько доменов, обеспечивающих выполнение регуляторных функций.

 

• ДНК-связывающие домены, ответственные за узнавание и связывание регуляторных факторов со специфическими участками на молекуле ДНК;
• Домены, активирующие транскрипцию за счёт связывания с белками основного инициаторного комплекса: транскрипционными факторами, коактиваторами и РНК-поли-меразой;
• Антирепрессорные домены, благодаря которым белки способны взаимодействовать с гис-тонами нуклеосом и освобождать транскрибируемые участки ДНК от связи с этими ингибиторными структурами; Домены, связывающие лиганды, присоединение которых к белку изменяет его конформацию и обеспечивает связывание с молекулой ДНК. Лигандь1-индукторы транскрипции - стероидные гормоны, ретиноевая кислота, каль-цитриол (производное витамина D3) и гормоны щитовидной железы. Лигандами-репрессорами могут быть конечные продукты метаболических путей, некоторые гормоны. Будучи липофильньши молекулами, они проходят плазматическую, а иногда и ядерную мембраны, взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами, присоединяясь к лиганд-связьгвающему участку (рис 2.). Присоединение лиганда к рецептору образует ДНК-связьшающий участок, узнающий специфическую последовательность в регуляторной зоне ДНК и индуцирующий транскрипцию определённых генов.

 

 

 

 

 

Рис.1. Адаптивная регуляция транскрипции у эукариотов. Промоторы эукариотических генов находятся под контролем большого числа регуляторных участков на молекуле ДНК: TATA-, CAAT-, GC-последовательностей, энхансеров, сайленсеров-последовательностей, к которым присоединяются комплексы белков с различными лигандами (цАМФ, стероидными гормонами, метаболитами, ионами металлов и т.д.).

 

 

На молекуле ДНК на расстоянии 100-200 пар оснований от стартовой точки транскрипции имеются короткие специфические последовательности ДНК: СААТ - элемент (или бокс), CG-бокс и октамерный бокс (включающий 8 пар оснований), узнающие транскрипционные факторы. Эти элементы есть во всех клетках, и конститутивно экспрессируемые гены нуждаются только в них. В то же время для генов, подвергающихся адаптивной регуляции, обнаружены участки молекулы ДНК, которые удалены (до 1000 и более пар оснований) от промотора, но тоже участвующие в регуляции транскрипции. Эти нуклеотидные последовательности бывают 2 типов.

 

Энхансеры - участки ДНК размером 10-20 пар оснований, присоединение к которым регуляторных белков увеличивает скорость транскрипции. Если участки ДНК, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции, то их называют сайленсерами.

 

Эти структурные элементы молекулы ДНК контролируют транскрипцию, даже если они:

 

• ориентированы на молекуле ДНК в любом направлении (от 5'- к З'-концу или наоборот);
• связываются с одним или несколькими регуляторными белками;
• располагаются перед или после гена, экспрессию которого они регулируют.

 

Рис.2. Действие лиганда-индуктора транскрипции на клетку млекопитающих. Лиганд-индуктор, например стероидный гормон, связывается с внутриклеточным рецептором, находящимся в ядре или цитоплазме, и поступает в ядро. Комплекс гормон-рецептор присоединяется к определённому участку на молекуле ДНК и активирует транскрипцию гена. Образуется мРНК - матрица для синтеза белка, обеспечивающего определённый клеточный ответ.

 

Элементы ответа, или cis-элементы - регуляторные последовательности ДНК, общие для группы генов. Они обеспечивают координированную регуляцию транскрипции генов и, как правило, располагаются на расстоянии примерно в 250 пар оснований выше промотора каждого гена. В остальном эти нуклеотидные последовательности имеют много общего с энхансерами. В данном варианте регуляции один и тот же индуктор, связываясь с соответствующим регуляторным белком, может активировать много разных генов, так как каждый из них в регуляторной области содержит один и тот же cis-элемент. Один из белков-продуктов этой группы генов может оказаться индуктором другой группы генов. Конечный результат регуляции - серия ответных реакций за счёт активации различных генов одним индуктором (рис. 3). К генам, регулируемым cis-элементами, относят гены, чувствительные к стероидным гормонам, гены белков теплового шока и многие другие. Например, при повышении температуры или после какого-либо другого клеточного стресса активируется синтез транскрипционного фактора, который индуцирует транскрипцию генов, кодирующих строение шаперонов.

 

Очевидно, что эффективность регуляции во многом зависит от структуры транскрипционных факторов и внутриклеточных рецепторов, непосредственно взаимодействующих с молекулой ДНК. Установлено, что большинство ДНК-связывающих белков принадлежит к трём семействам в зависимости от структуры домена, непосредственно взаимодействующего с двойной спиралью ДНК. Эти белки включают структуры типа "спираль-поворот-спираль", "цинковые пальцы" и "лейциновой молнии". Как правило, эти структуры - небольшие фрагменты молекул белков, а сайт-специфическое связывание происходит за счёт взаимодействия между радикалами аминокислот этих участков и азотистыми основаниями молекулы ДНК.

 

Рис. 3. Активация группы генов с помощью одного индуктора. Группа генов имеет общий регуляторный cis-элемент и активируется одним и тем же регуляторным белком. Один из белковых продуктов первой серии ответных реакций активирует вторую серию генов (* - cis-элементы к белку X; # - cis-элементы к белку С).

 

 

 

 

 

Транскрипция у эукариот

РНК-полимеразы эукариот

 

У эукариот имеется 3 типа РНК-полимераз (не считая митохондриальной и хлоропластной):

РНК полимеразаI - синтезирует в ядрышках рибосомные RNA (18S и 28S рРНК, кроме 5S);

РНК-полимеразаII - синтезирует mRNA и некоторых sRNA;

РНК-полимеразаIII - синтезирует tRNA, sRNA, 5S rRNA.

RNA-полимеразы эукариот  отличаются: количеством субъединиц  – 2 большие (120-220кДа) и до 8 малых (10-100кДа), потребностью в ионах Mg и Mn, чувствительностью к – амонитину - токсину бледной поганки - пептиду включающему D-аминокислоты: polI - устойчива, polII - ингибируется при концентрации 10-8М, polIII - при 10-6М амонитина. РНК-полимеразы I,II,III кодируются в ядре. Большие субъединицы гомологичны β и β`-субъединицам эубактерий.

РНК-полимераза I

РНК-полимераза II

 

PolII Человека содержит более 10 субъединиц, слабо ассоциирующих друг с другом. Некоторые из них принадлежат к основным факторам транскрипции (GTF).

Белки holo-фермента PolII дрожжей [Патрушев, 2000].

Pol II - РНК-Полимеразная активность, взаимодействует с множеством общих и тканеспецифических факторов транскрипции, участвует в выборе точки инициации транскрипции.

TFIIB - Связывает Pol II и TBP на промоторе, участвует в выборе точки инициации транскрипции

TFIIF - Взаимодействует с Pol II, стимулирует элонгацию транскрипции Pol II, компонент субкомплекса SRB/медиатор

TFIIH - Активность ДНК-зависимой ATPазы, ДНК-геликазная активность, обладает активностью CTD-киназы

SRB2, SRB5 - Участвуют в образовании инициационного комплекса, стимулируют базальный и индуцированный синтез РНК,

взаимодействуют с TBP, компоненты субкомплекса SRB/медиатор

GAL11/SPT13 - Участвуют в образовании инициационного комплекса, стимулируют базальный и индуцированный синтез РНК,

компоненты субкомплекса SRB/медиатор, предположительно взаимодействуют с активаторами транскрипции

SUG1 - Компонент субкомплекса SRB/медиатор, предположительно взаимодействует с активаторами транскрипции

SRB4, SRB6, SRB7, SRB8, SRB9, SRB10, SRB11 - Компоненты субкомплекса SRB/медиатор, предположительно

взаимодействуют с CTD-доменом Pol II