pangenes.ru

Контроль экспрессии генов

В любом организме ДНК кодирует все молекулы РНК и белков, необходимых для построения его клеток. Однако само по себе полное описание последовательности ДНК организма, например, несколько миллионов нуклеотидов у бактерии, или несколько миллиардов у человека, не позволяет воссоздать организм, так же как список слов — восстановить рассказ.
Главной проблемой является то, как именно используются элементы последовательности ДНК или слова из списка.
Необходимо разобраться, в каких условиях синтезируется каждый генный продукт и какое действие он имеет. В данной статье обсудим правила и принципы, согласно которым определенный набор генов избирательно экспрессируется в каждой клетке.
Механизмы контроля экспрессии генов действуют на самых разных уровнях, и мы начнем с обзора основных принципов генетического контроля у многоклеточных организмов.

Общие представления о генетическом контроле

Клетки одного организма могут быть сильно различаться и внешне, и по своим функциям, примером могут служить нейрон и лимфоцит млекопитающего: при сравнении сложно представить, что они имеют одинаковый геном(рис. 1).

Различия нейрона и лимфоцита человека

Рисунок 1. Нейрон и лимфоцит млекопитающего. Длинные отростки нейрона(аксоны) позволяют ему получать электрические сигналы от многих клеток и передавать их соседним клеткам.
Лимфоцит — это белый кровяной форменный элемент, свободно перемещающийся по организму и участвующий в ответе иммунной системы на заражение. Обе клетки содержат одинаковый геном, но экспрессируют различные РНК и белки.

Так как процесс дифференцировки клеток часто оказывается необратимым, биологи сначала предполагали, что в ходе этого клеточного процесса гены могут избирательно утрачиваться. В настоящее время известно, что дифференцировка клеток определяется изменением экспрессии генов, а не изменениями нуклеотидной последовательности в геноме клетки.

Различные клетки многоклеточного организма содер­жат одинаковую ДНК

Разные типы клеток многоклеточного организма отличаются друг от друга по причине синтеза и накопления различных наборов молекул РНК и белков. Доказательством функциональной дифференцировки клеток без изменения последовательности ДНК является ряд экспериментов на лягушке.
Например, если внедрить ядро дифференцированной клетки лягушки в безъядерный ооцит(из которого заранее удалено ядро), трансплантированное «донорное» ядро детерминирует развитие из реципиентной(принимающей) яйцеклетки нормального головастика (рис.2, а).

Развитие нового организма путем трансплантации дифференцированных клеток на примере лягушки, моркови и коровы

Рисунок 2. Опыты, доказывающие, что дифференцированная клетка содержит всю необходимую генетическую информацию для развития целого организма. а) Ядро клетки кожи взрослой лягушки, внедренное в безъядерную яйцеклетку, дает начало целому головастику. Прерыви­стая стрелка означает дополнительный этап трансплантации, необходимый для адаптации трансплантированного генома к эмбриональному окружению. В ходе этого процесса из раннего развивающегося эмбриона отбирается одно из ядер и переносится обратно в дополнительную безъядерную яйцеклетку. б) У многих видов растений дифференцированные клетки сохраняют способ­ность к «де-дифференцировке», поэтому отдельная клетка может образовать клон клеток, который в дальнейшем даст начало целому растению. в) Ядро дифференцированной клетки от взрослой коровы, трансплантированное в безъядерную яйцеклетку другой коровы, может дать начало теленку. Разные телята, по­лученные из одной дифференцированной донорной клетки, являются генетически идентичными и, соответственно, являются клонами друг друга.

Так как у головастика есть целый ряд разных дифференцированных клеток, получивших свои последовательности ДНК из ядра исходной донорной клетки, можно сделать вывод, что донорная клетка не потеряла никаких важных нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Опыты, проведенные над растениями, показывают аналогичный результат. При этом, части дифференцированной ткани растений культивировали на искусственной питательной среде, после чего эту ткань разделяли на отдельные клетки. В большинстве случаев одна из таких изолированных клеток способна восстанавливать целое взрослое растение (рис.2, б).
Аналогичный принцип продемонстри­рован и на млекопитающих, включая крупный рогатый скот, свинью, козу, овцу, собаку и мышь. При этом ядра соматических клеток вводили в безъядерные яйцеклетки и в результате трансплантации их суррогатным матерям, некоторые из яйцеклеток, называемых реконструированными зиготами, развивались в здоровых животных (рис.2, в).

Другим доказательством того, что в ходе развития многоклеточных большие участки ДНК не теряются и не перестраиваются, служит сравнение подробных карт поперечной исчерченности хромосом во время митоза. Исходя из этого критерия следует, что наборы хромосом в дифференцирован­ных клетках человеческого тела оказываются идентичными. Более того, сравнение геномов различных клеток методом рекомбинантных ДНК подтвердило, что изме­нения в экспрессии генов, которые лежат в основе развития многоклеточного организма, заключаются не в изменениях последовательностей соответствующих генов. Однако существует ряд случаев, когда при развитии организма про­исходят перестройки ДНК в геноме(например, при развитии иммунной системы).

Различные типы клеток синтезируют разные наборы белков

Для понимания механизма клеточной дифференциров­ки, необходимо знать, насколько отличаются друг от друга разные типы клеток, и уже сейчас выделяют общие положения:

  • существует множество процессов, которые являются общими для всех клеток, а это значит, что любые две клетки одного организма имеют много одинаковых белков. Например, структурные белки хромосом, ферменты репарации ДНК, РНК - полимераза, рибосомальные белки, ферменты, участвующие в обмене веществ, а также множество белков цитоскелета;
  • некоторые белки можно обнаружить только в специали­зированных клетках, где они функционируют, тогда как в других типах клеток их нельзя определить даже чувствительными методами анализа(например, гемоглобин присутствует только в эритроцитах);
  • по результатам исследования разных иРНК, в типичной клетке человека в любой момент времени экспрессируется 30-60% от примерно 25000 ее генов. При сравнении профилей экспрессии (паттернов) иРНК ряда различных клеточных линий человека обнаружено, что уровень экспрессии практически каждого активного гена меняется от одного типа клеток к другому. Некоторые из этих различий ярко выражены, например, как гемоглобин, но боль­шинство из них едва заметны. Даже гены, активные во всех клетках, отличаются по уровню экспрессии в разных типах клеток. Паттерны, отражающие содержание иРНК, являются настолько специфическими для каждого типа клеток, что их можно использовать для определения типа раковых клеток, у которых не известна ткань, являющаяся источником роста опу­холи(рис. 3).

Различия в картинах экспрессии иРНК среди разных типов раковых клеток человека

Рисунок 3. Различия в картинах экспрессии иРНК среди разных типов раковых клеток человека.
На рисунке обобщен очень большой набор измерений, в ходе которых определялись уровни иРНК 1800 выбранных генов (располагаются сверху вниз) у 142 различных линий раковых клеток человека (располагаются слева направо), каждая — от разного пациента. Каждая небольшая красная полоса обозначает, что данный ген у данной опухоли транскрибируется на уровне, значительно превышающем средний во всех клеточных линиях. Каждая небольшая зеленая полоса указывает на уровень экспрессии ниже среднего, а каждая черная полоса отмечает уровень экспрессии, близкий к среднему значению среди различных опухолей.
Метод, использованный для получения этих данных (выделение мРНК с последующей гибридизацией с ДНК-чипами). Обратите внимание, что относительные уровни экс­прессии каждого из 1800 проанализированных генов отличаются у разных опухолей (это видно, если проследить по рисунку за определенным геном слева направо). Этот анализ также показал, что каждый тип опухоли обладает своей характерной картиной экспрессии генов.
Подобная информация может быть использована для «типирования» раковых клеток неизвестного происхождения путем сравнения их профилей экспрессии генов с профилями экспрессии уже известных опухолей.
Например, на рисунке неизвестный образец был идентифицирован как рак легких.

  • несмотря на то, что существуют значительные различия в экспрессии иРНК среди специализированных клеток, мы не учитываем целый комплекс отличий в спектре синтезируемых белков. Регуляция экспрессии генов возможна на множестве этапов, которые происходят после транс­крипции. Например, альтернативный сплайсинг может дать от одного гена целое семейство белков. Отсюда следует, что лучший способ оценки главных отличий в экспрессии генов между различными типами клеток — при помощи методов, которые напрямую по­казывают уровни экспрессии белков и модификации после трансляции (рис. 4).

Различия двух тканей человека(мозг и печень) с учетом спектра экспрессируемых белков

Рисунок 4. Различия двух тканей человека с учетом спектра экспрессируемых белков. На каждом рисунке белки представлены в виде результатов двумерного электрофореза в полиакриламидном геле. Белки разделены по молекулярной массе (сверху вниз) и по изоэлектрической точке — значению pH, при котором представлен не заряженный белок (справа налево). Белковые пятна, которые окрашены красным, встречаются у обоих образцов, голубые же являются специфичными для одной из двух тканей. Различия между двумя образцами тканей значительно «перевешивают» их сходство: даже белки, общие для обеих тканей, как правило, различаются по относительному содержанию.


Внешние сигналы способны изменять экспрессию генов в клетке

Большая часть специализированных клеток многоклеточного организма способна менять картину экспрессии своих генов в ответ на внеклеточные сигналы. К при­меру, если клетка печени подвергается воздействию глюкокортикоидного гормона, то синтез нескольких специфических белков резко увеличивается. Выделение глюкокортикоидов в кровь во время голодания или интенсивных физических нагрузок служит сигналом для печени к увеличению образования глюкозы из аминокислот и других малых молекул. При этом активируется набор белков, который включает в себя специфические ферменты, например, тирозинаминотрансферазу, способствующую превращению тирозина в глюкозу. В том случае, если гормон больше не поступает, синтез этих белков снижается до нормального уровня.
У других типов клеток иная реакция на глюкокортикоиды. К примеру, жиро­вые клетки снижают производство тирозинаминотрансферазы, тогда как остальные типы клеток могут совсем не реагировать на глюкокортикоидные гормоны. Эти примеры показывают главную особенность специализации клеток: различные типы клеток часто по-разному отвечают на один и тот же внеклеточный сигнал. В основе подобных корректировок лежат характерные черты профиля экспрессии генов, которые не меняются и при­дают каждому типу клеток его неизменный отличительный характер.

Регуляция экспрессии гена происходит на всем пути от ДНК к РНК и белку

Если различия между клетками разных типов обусловлены тем, какие гены экспрессируются в них, тогда на каком уровне осуществляется контроль экспрессии генов?

Существует множество этапов на пути, ведущем от ДНК к белку, и каждый из них может регули­роваться. Клетка может контролировать синтез своих белков следующими путями:

  1. контроль на уровне транскрипции;
  2. контроль на уровне процессинга РНК;
  3. контроль на уровне транспорта РНК и ее локализации (отбор зрелых иРНК, которые предназначены для экс­порта из ядра в цитоплазму, и выбор места их размещения);
  4. контроль на уровне трансляции (отбор иРНК в цитоплазме для трансляции на рибосомах);
  5. контроль на уровне деградации мРНК (избирательная дестабилизация определенных молекул иРНК в цитоплазме;
  6. контроль на уровне активности белка (селективная активация, инактивация, деградация, локализация специфических молекул белка после их синтеза (рис. 5).

Шесть уровней контроля экспрессии генов эукариот

Рисунок 5. Шесть уровней контроля экспрессии генов эукариот.

Для большинства генов самым важным этапом является контроль на уровне транскрипции. Это естественно, так как из всех возможных контрольных точек, представленных на рис. 5, лишь контроль на уровне транскрипции дает гарантию того, что клетка не будет синтезировать лишних промежуточных продуктов.

Заключение

ДНК клетки содержит в своей последовательности информацию, которая необходима для создания тысяч различных молекул белков и РНК.
Как правило, в клетке экспрессируется только часть генов, а возникновение в многоклеточ­ном организме различных типов клеток обусловлено экспрессией разных наборов генов. Кроме того, клет­ки могут менять картину экспрессируемых генов в ответ на изменения условий внешней среды, например, в ответ на сигналы от других клеток. В целом, все этапы экспрессии гена могут регулироваться, но для большинства генов самая важная точка контроля — это инициация транскрипции РНК.

pangenes.ru
pangenes.ru

pangenes.ru © 2021
Яндекс.Метрика