Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 39. Регуляція активності генів

Як генетична інформація реалізується в ознаках?

У попередніх параграфах ви дізналися, як зберігається генетична інформація, як вона реалізується в ознаках організмів і передається з покоління в покоління. Важливе значення має регуляція активності генів. Ви пам’ятаєте, що багатоклітинні організми сформовані клітинами різних типів, які утворюються шляхом диференціації з початкової клітини - зиготи. Для того щоб правильно сформувалися диференційовані клітини, необхідно в правильній послідовності активувати певні гени (і запобігти активації непотрібних генів). Крім того, залежно від умов середовища певні гени повинні працювати більш чи менш активно. Задля цього існує низка механізмів, які працюють на всіх стадіях реалізації генетичної інформації (рис. 184).

Транскрипційні фактори. Регуляція транскрипції дещо різниться в прокаріотів та еукаріотів. Ми зупинимося детально на останніх. Для початку транскрипції РНК-полімераза повинна бути зв’язаною зі спеціальними білками, які називають транскрипційними факторами. Головні транскрипційні фактори уможливлюють або блокують транскрипцію гена в цілому. Крім них, існують додаткові транскрипційні фактори, які зв’язуються з регуляторними послідовностями ДНК, що можуть розташовуватися як поблизу регульованого гена, так і на значній відстані від нього (рис. 185). За ефектом, що чиниться на процес зчитування інформації, розрізняють енхансери (від англ. enhance; підсилюють транскрипцію) та сайленсери (від англ. silence; послаблюють). Цікаво, що регуляторні ділянки можуть розташовуватися в некодувальній частині ДНК або навіть в інтронах інших генів.

Рис. 184. Розташування точок регуляції експресії генів

Рис. 185. Принцип роботи віддаленої регуляторної ділянки на прикладі енхансера

Спеціальні білки формують згин молекули ДНК, у результаті чого регуляторна ділянка наближається до регульованого гена. Додаткові транскрипційні фактори взаємодіють з головними, унаслідок чого посилюється транскрипція.

Схарактеризуйте функцію транскрипційних факторів.

Мутації в цих ділянках ДНК не супроводжуються змінами амінокислотної послідовності білків, але можуть супроводжуватися зміною активності генів. Це є підтвердженням того, що геном є цілісною системою, а не механічним об’єднанням генів. Транскрипційні фактори кодуються близько 6% генів еукаріотів. На функціонування одного гена одночасно впливають кілька регуляторних білків. Деякі транскрипційні фактори синтезуються лише в разі потреби внаслідок експресії відповідних генів. Інші ж можуть бути присутніми в клітині тривалий час, але в неактивному стані. їхня активація може здійснюватися спеціалізованими внутрішньоклітинними чинниками в результаті дії на клітину регуляторних сполук (наприклад гормонів) або інших стимулів (рис. 186). Транскрипційні фактори можуть впливати на активність багатьох генів, деякі з яких також можуть бути регуляторними. Це вказує на складність регуляції функціонування генотипу.

Описані механізми відіграють важливе значення, зокрема в регуляції ембріонального розвитку. Важливими транскрипційними факторами є білкові продукти hox-генів, які визначають загальний план будови тіла у тварин. Інші транскрипційні фактори регулюють розвиток нервової системи, наприклад, ген FOXP2 активно експресується в ділянках головного мозку, пов’язаних з мовленням, його мутації призводять до порушення цієї функції. Мутації FOXP2 відігравали важливу роль в еволюції людини. Ген CREB і відповідний білок регулюють формування синапсів, беручи участь у процесах навчання та пам’яті.

Зміна ступеня конденсації хроматину досягається модифікаціями ДНК або білків хроматину - гістонів. Однією з можливих змін є ацетилювання (приєднання залишку ацетату СН3СОО) гістонових білків. Це знижує їхню спорідненість до ДНК, полегшує її від’єднання, а відтак - позитивно сприяє транскрипції. Протилежним механізмом є метилювання (приєднання метальної групи - СН3) цитидилових основ ДНК (рис. 187).

Рис. 186. Регуляція роботи генів на прикладі дії факторів росту

У такий спосіб можуть діяти й інші чинники.

Рис. 187. Принцип впливу метилювання ДНК на рівень транскрипції

Використовуючи схему, опишіть механізм дії факторів росту на клітину.

Це ускладнює зв’язування та роботу РНК-полімерази, тобто негативно впливає на транскрипцію. Ділянки ДНК з високим рівнем метилювання є неактивними. У такий спосіб, наприклад, під час диференціації клітин відбувається функціональна інактивація ділянок хроматину, у яких записані гени, що не потрібні клітині для обраної спеціалізацій Наприклад, у клітинах м’язів чи сполучної тканини не потрібні білки, які специфічно притаманні нервовим клітинам. Іншим прикладом такої інактивації є виключення однієї з Х-хромосом, описане в §39.

Ацетилювання гістонів і метилювання ДНК є прикладами епігенетичної («над генами») регуляції, - коли зміна експресії генів проходить без зміни їхньої структури. Це може відбуватися під впливом умов середовища. Наприклад, в одному з досліджень учені аналізували здоров’я жителів та жительок Нідерландів, які народилися наприкінці Другої світової війни. Період вагітності їхніх матерів припав на дуже сильний голод. Виявилося, що в обстежених людей був значно менший рівень метилювання певних ділянок ДНК в порівнянні з тими, хто народився через 1-2 роки після завершення періоду голоду. Такі зміни супроводжувалися негативним впливом на здоров’я через десятиліття після народження. В експериментах на щурах було показано, що потомство самиць, які погано доглядали за своїми нащадками, розвивалося з порушенням поведінки, виявляючи ознаки підвищеної тривожності (рис. 188). Це було пов’язано з епігенетичним впливом на експресію в головному мозку генів рецепторів до глюкокортикоїдних гормонів, через що порушувалася нормальна реакція на стрес. Таким чином, епігенетичні впливи на ранніх етапах розвитку можуть істотно впливати на функціонування дорослих організмів.

Рис. 188. Схема експерименту, що показує вплив материнського піклування на розвиток мозку у щурів

Рівень метилювання генів, пов’язаних з регуляцією стресу, був вищим у щурят, за якими погано доглядали. Через це вони були менш стійкими до нього.

Поясніть результати проведеного експерименту. Для чого дослідники міняли щурят у другій частині експерименту?

Регуляція процесингу та транспортування з ядра мРНК. Як ви пам’ятаєте, одним з етапів процесингу синтезованої молекули РНК є сплайсинг.

РНК, синтезовані з більшості генів, можуть піддаватися альтернативному сплайсингу, у результаті чого з одного і того ж гена можуть утворюватися різні мРНК, а відтак синтезуватися різні білки. Ще одним механізмом регуляції експресії генів є редагування РНК - зміна її нуклеотидної послідовності. Наприклад, у клітинах кишечника людини відбувається заміна нуклеотида Ц на У в мРНК одного з білків. У результаті кодон ЦАА міняється на УАА, котрий є стоп-кодоном (переконайтеся в цьому за допомогою генетичного коду). Унаслідок цього в таких клітинах утворюється вкорочена версія білка, яка має дещо відмінні функції від повнорозмірної.

Під час транскрипції можуть відбуватися помилки. У ядрі синтезовані РНК упродовж процесингу проходять ряд етапів « контролю якості», за результатами якого дефектні молекули руйнуються до виходу через ядерні пори, а відтак - за їхньою інформацією не зможуть синтезуватися білки неправильної структури.

Регуляція на рівні трансляції. Ще один етап контролю експресії генів здійснюється в цитоплазмі (рис. 189). Для початку біосинтезу білка мРНК повинна зв’язатися з рибосомою. Цей процес може блокуватися спеціалізованими білками. Молекули мРНК мають обмежений час існування, після чого зазнають руйнування. Деякі білки можуть як зберігати мРНК від деградації, так і, навпаки, прискорювати її.

Ми навели не виключний перелік механізмів регуляції активності генів. Деякі з відомих сучасним ученим процесів є надто складними для нашого підручника, деякі ж не до кінця вивчені. Проте зрозуміло, що регуляція експресії відіграє не менш важливе значення для функціонування організмів, ніж проаналізовані вище процеси реалізації генетичної інформації.

Рис. 189. Регуляція експресії на рівні трансляції

Поясніть, чому через деякий час після виходу в цитоплазму молекула мРНК повинна бути зруйнованою?

1. Дайте означення понять експресія генів, транскрипційні фактори.

2. На яких етапах реалізації спадкової інформації можлива регуляція активності генів?

3. Чи завжди транскрипція певного гена призводить до вияву відповідної ознаки?

4. Схарактеризуйте головні шляхи регуляції експресії генів.

5. Поясніть значення регуляції експресії генів у функціонуванні організмів.