Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 28. Регуляція експресії генів

Відмінності в роботі генів призводять до відмінностей у наборі білків різних клітин

За оцінками вчених, геном людини містить 22—23 тисячі генів, що кодують білки. Але в окремій клітині, наприклад, клітині серцевого м’яза — кардіоміоциті — лише незначна їх частина є активною. Тобто транскрипція відбувається лише з декількох сотень генів. Про такі гени кажуть, що вони експресуються. Інші є активними лише на стадії ембріонального розвитку, але не експресуються в дорослої людини, деякі активні лише в чоловіків, інші — лише в жінок. Якщо порівняти перелік генів, активних у клітині серцевого м’яза й у клітині печінки, то виявиться, що деякі збігаються. Тобто певні гени експресуються в обох типах клітин і утворюються відповідні білки. Серед них будуть гени білків, що задіяні в біосинтезі білка, отриманні енергії тощо. Все це так звані гени домашнього господарства: вони працюють у всіх клітинах і забезпечують їхні базові життєві функції. Але є гени, які активні лише в окремих типах клітин. Так, у клітинах серцевого м’яза активно експресується ген міозину II, що бере участь у формуванні міофібрил, а в клітинах печінки — ген сироваткового альбуміну, основного білка плазми крові. Відмінності в наборі активних генів у різних типах клітин призводять до різного набору білків у них. Саме відмінності в наборі білків клітин визначають структурну та функціональну різницю між ними (рис. 28.1). Яким же чином організм регулює вибіркову роботу одних генів і «мовчання» інших? Щоб відповісти на це питання, звернемося до молекулярної машини, яка забезпечує транскрипцію генів — РНК-полімерази.

Рис. 28.1. Кардіоміоцити міокарду серця (А) й гепатоцити печінки (Б) мають відмінну структуру та виконують різні функції в організмі

Така несхожість зумовлена різними наборами білків у кожній клітині, які, своєю чергою, залежать від набору генів, що експресуються в клітині.

РНК-полімераза — фермент, що забезпечує біосинтез РНК на матриці ДНК

Основний білок, залучений до транскрипції, — РНК-полімераза. Як і у випадку з ДНК-полімеразою, РНК-полімераза будуватиме полінуклеотидний ланцюг, але як мономерні ланки використовуватиме рибонуклеотиди. Вони мають подібну до дезокеирибонуклеотидів будову і містять три послідовно з’єднані залишки ортофосфатної кислоти, приєднані до цукру рибози. РНК-полімераза відщеплює два з них, а енергію, що при цьому виділяється, використовує для включення нуклеотиду до ланцюга, а також для переміщення вздовж ДНК. Цим вона дуже нагадує ДНК-полімеразу. РНК-полімераза утворює нитку РНК за принципом комплементарноеті, лише на місце тиміну ставить урацил. Реалізація принципу комплементарності досягається завдяки тому, що на короткій ділянці, яку займає РНК-полімераза, формується дволанцюговий спіральний комплекс із нитки ДНК та комплементарної нитки наново синтезованої РНК (рис. 28.2).

У процесі реплікації формуються дві реплікативні вилки, що рухаються в протилежних напрямках1. Під час транскрипції відбувається синтез РНК лише за одним із ланцюгів ДНК і тільки в одному напрямку2. Таким чином, якщо для здійснення реплікації потрібна робота двох ДНК-полімераз (по одній на кожну реплікативну вилку), то для здійснення однонапрямленої транскрипції — лише одної РНК-полімерази.

Розплетена ділянка ДНК у процесі транскрипції не зростає, а лише пересувається разом з РНК-полімеразою. На виході з РНК-полімерази обидві ділянки одноланцюгової ДНК знову об’єднуються одна з одною до дволанцюгового спірального комплексу (рис. 28.2). Подивитися, як працює еукаріотична РНК-полімераза, ви можете на відео за посиланням. Реплікація припиняється тоді, коли дві реплікативні вилки, що рухаються назустріч одна одній, зустрічаються. У такий спосіб відбувається копіювання всієї ДНК. Щодо транскрипції, то тут ситуація принципово інша. Зазвичай відбувається зчитування невеличкої (кілька тисяч нуклеотидів) ділянки ДНК. Після цього транскрипція припиняється. РНК-полімераза від’єднується від ДНК, відбувається вивільнення синтезованої молекули РНК. Процес припинення транскрипції регулюється клітиною й здійснюється по-різному для різних типів РНК.

1 Це так звана двонапрямлена реплікація. Нерідко в природі трапляється й однонапрямлена реплікація, коли працює тільки одна вилка.

2 Як довели дослідження останніх років, це правило не завжди виконується, особливо в багатоклітинних еукаріотів, таких як ми з вами. Іноді синтез РНК може відбуватися одночасно за обома ланцюгами ДНК.

Рис. 28.2. Транскрипція

А. Схема комплексу РНК-полімерази, ДНК і РНК. Б. Молекулярна модель РНК-полімерази в процесі транскрипції.

У прокаріотів транскрипція відбувається в цитоплазмі, в еукаріотів — лише в ядрі, як і реплікація3. На відміну від реплікації, яка в еукаріотів пов’язана зі суворо визначеним періодом життя клітини, транскрипція тих чи інших ділянок ДНК може відбуватися в різний час. Логічно припустити, що спостерігається певна конкуренція між транскрипцією та реплікацією. Обидва ці процеси можуть відбуватися одночасно. У «боротьбі» перемагає реплікація: якщо реплікативна вилка, що переміщується, стикається з РНК-полімеразою, що рухається їй назустріч, то вона просто скидає останню з ланцюга ДНК. У клітинах, що інтенсивно діляться, а отже, у яких інтенсивно проходить реплікація, транскрипція зазвичай є придушеною. Це характерно для ранніх стадій розвитку ембріонів тварин: перші поділи відбуваються дуже швидко й майже вся ядерна ДНК «зайнята» реплікацією, тож клітинам доводиться обходитися тією РНК, що була синтезована та запасена в яйцеклітині.

3 Якщо не враховувати транскрипцію, що проходить в мітохондріях і хлоропластах.

Для забезпечення транскрипції, окрім РНК-полімерази, необхідна участь факторів транскрипції

Здавалося б усе, що необхідно для забезпечення транскрипції, — матриця ДНК, РНК-полімераза й суміш рибонуклеотидів. Однак, виявляється, що в живій клітині цього недостатньо для початку транскрипції гену. Для того, щоб РНК-полімераза з’єдналася з промотором гена й розпочала процес транскрипції, потрібні додаткові білки — фактори транскрипції. Вони забезпечують правильну посадку РНК-полімерази на промотор і її наступну активацію. Частина факторів транскрипції наявна в усіх типах клітин і обов’язково бере участь у запуску транскрипції та зв’язується з промоторами всіх генів. Це, так звані, загальні фактори транскрипції. Але інша їх частина з’єднується лише зі специфічними промоторами й запускає експресію лише окремих генів. Ці фактори транскрипції наявні не в усіх клітинах або не в усіх є активними. Саме їхня присутність і буде визначати, які гени експресуватимуться в цьому типі клітин, а які — ні.

Регуляція експресії відбувається завдяки продуктам регуляторних генів і енхансерам

У геномі наявний ряд регуляторних генів, що кодують специфічні білки чи молекули РНК, здатних контролювати експресію інших генів. На противагу їм усі гени, продукти яких не беруть участі в регуляції роботи інших генів, отримали назву структурні гени. В основному це гени білків, тРНК та рРНК.

У прокаріотів найпоширенішим типом регуляторних генів є гени білків-репресорів. Вони зв’язуються з ДНК і блокують приєднання чи функціонування РНК-полімерази. Як правило, репресори експресуються постійно, тому завжди наявні в клітині. Поява певної молекули-індуктора призводить до зміни просторової структури репресора, і він втрачає здатність блокувати роботу РНК-полімерази. У такому випадку ген починає експресуватися. Інші гени регуляторів транскрипції кодують білки-активатори. Ці білки зв’язуються з ділянкою біля промотора й прискорюють початок транскрипції. Таким чином ген активніше експресується, а його продукту стає більше в клітині.

Послідовність нуклеотидів у промоторній ділянці гена, наявність у клітині факторів транскрипції та робота регуляторних генів визначають чи відбуватиметься експресія гену. Але в ДНК існують й інші ділянки, розташовані поза геном, із якими зв’язуються регулятори транскрипції. Ці ділянки можуть розміщуватися на достатній відстані від промотора, але, фізично, через продукти регуляторних генів, взаємодіяти з РНК-полімеразою. Такі ділянки називають енхансери1. Для того, щоб енхансер зміг опинитися поблизу РНК-полімерази, ДНК «вигинається» та формує петлю (рис. 28.3). Подібний спосіб укладки ДНК у складі хромосом дуже розповсюджений серед еукаріотичних організмів, що відображає важливу роль енхансерів у регуляції роботи генів. Цікаво, що енхансери можуть розташовуватися не лише перед чи після гену, але й навіть у інтронах інших генів!

1 Від англ. enhancer — посилювач, збільшувач.

Рис. 28.3. У запуску транскрипції в еукаріотів бере участь багато білків, які взаємодіють із РНК-полімеразою й різними ділянками ДНК

Стероїдні гормони впливають на експресію генів

Давайте розглянемо один із прикладів регуляції роботи еукаріотичних генів — регуляцію експресії стероїдними гормонами. Стероїдні гормони — це група сполук, похідних холестеролу, що виробляються залозами внутрішньої секреції: корою наднирників і статевими залозами. Стероїдні гормони здатні вільно проникати крізь плазматичну мембрану в цитоплазму клітини. Там вони можуть зустріти свій рецептор — білок, який розпізнає гормон і запускає відповідь на нього. Так, рецептор жіночого статевого гормону естрогену знаходиться в цитоплазмі клітини, але після зв’язування переходить у ядро. Там він діє як фактор транскрипції — з’єднується з промоторними областями генів, що знаходяться під контролем естрогену й запускає їх експресію, сприяючи активації РНК-полімерази. Так здійснюється клітинна відповідь на виділення гормону в організмі. У результаті утворюються білки, які визначають, наприклад, вторинні статеві ознаки або статеву поведінку жінки.

Рис. 28.4. Будова і функціонування лактозного оперону

1. РНК-полімераза. 2. Ген білка-репресора. 3. мРНК білка-репресора. 4. мРНК трьох ферментів травлення лактози. 5. Білок-репресор. 6. Лактоза. 7. Неактивний білок-репресор. 8. Ферменти засвоєння лактози.

Зверніть увагу, що білок-репресор може заблокувати доступ РНК-полімерази до генів ферментів тільки за відсутності лактози в клітині.

У бактерій регулюється робота цілих комплексів генів — оперонів

Цікавими є шляхи регуляції роботи оперонів бактерій. Як ви вже знаєте, гени бактерій організовані в особливі комплекси — оперони. Вони регулюються за допомогою однієї регуляторної ділянки, що розташована одразу за промотором і має назву оператор. Оператор розміщується відразу за промотором і часто є заблокованим репресором — білком, який запобігає зв’язуванню РНК-полімерази з промотором, блокуючи експресію. Різні бактеріальні оперони принципово відрізняються за способом регуляції й умовами зв’язування репресора з оператором.

Розглянемо вже знайомий нам лактозний оперон (рис. 28.4). Він включає три гени, продукти яких залучені в засвоєння лактози клітиною. Очевидно, що робота цього оперону необхідна лише в присутності лактози — інакше синтез білків, закодованих в опероні, буде безглуздою витратою енергії й амінокислот. Виявляється те, що у відсутності лактози цей оперон неактивний, оскільки РНК-полімераза не здатна зв’язуватися з промотором, бо він заблокований репресором, приєднаним до оператора. Але за присутності лактози остання зв’язується з білком-репресором, що призводить до його від’єднання від оператора і уможливлює транскрипцію. За розкриття механізму регуляції лактозного оперону французькі дослідники Франсуа Жакоб і Жак Моно в 1965 році були нагороджені Нобелівською премією з фізіології або медицини.

Однак є й інша група оперонів бактерій, які кодують білки, що беруть участь у біосинтезі хімічних компонентів клітини. Вони запускаються за відсутності регуляторної молекули. Прикладом такого типу оперону може слугувати триптофановий оперон, що містить п’ять генів, які кодують ферменти біосинтезу триптофану1 (рис. 28.5). Цей оперон також пригнічується репресором, але тільки за присутності триптофану. Коли ж концентрація триптофану в клітині падає нижче певного критичного рівня, репресор від’єднується від ДНК та припиняє пригнічувати експресію. Таким чином лактозний оперон кодує білки, які беруть участь у розщепленні лактози, тому він активний лише в присутності лактози. Триптофановий оперон же кодує білки, що беруть участь у синтезі триптофану, тому він активний лише за відсутності триптофану.

1 Триптофан — одна з амінокислот, необхідних для синтезу білків. Для людини вона є незамінною.

Рис. 28.5. Триптофановий оперон активний тільки за відсутності триптофану

У цьому параграфі ми розглянули лише транскрипційний контроль біосинтезу білка. Насправді, синтез багатьох білків, особливо в еукаріотів, контролюється також на рівні трансляції.

Цікаве життя

РНК регулюють експресію генів

Регуляторні гени можуть кодувати не лише білки-репресори чи активатори, але й молекули РНК. Такі молекули РНК після модифікації перетворюються на короткі одноланцюгові молекули малих інтерферувальних РНК (міРНК) довжиною 20—25 нуклеотидів. Вони зв’язуються з комплексом білків, утворюючи РНК-індукований комплекс заглушення генів. Такий комплекс працює як посттранскрипційний «вимикач» генів.

Принцип роботи РНК-індукованого комплексу заглушення генів полягає в комплементарному зв’язуванні короткої міРНК з його складу із ділянкою мРНК, що утворилася в результаті транскрипції. Таке з’єднання призводить до зміни мРНК. Часто один із компонентів комплексу — білок-аргонавт розщеплює цю мРНК, унеможливлюючи наступний синтез білка. У інших випадках у результаті роботи РНК-індукованого комплексу заглушення генів мРНК стає нестабільною і руйнується чи порушується синтез білка в рибосомах. У такий чи інший спосіб, але РНК-білковий комплекс призводить до припинення утворення білків, що кодуються певним геном.

Описаний механізм пригнічення експресії генів отримав назву РНК-інтерференції, а Ендрю Файр і Крейг Меллоза за його відкриття отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини у 2006 році. Ними було виявлено, що якщо до клітини ввести певні молекули РНК, то вони можуть потрапляти до складу РНК-індукованого комплексу заглушення генів. Якщо введені РНК містять ділянки, комплементарні ділянкам мРНК генів клітини, то відбуватиметься пригнічення експресії клітинних генів. Ця технологія може бути застосована в медицині для пригнічення експресії генів вірусів, бактерій та інших паразитів, лікування різних генетичних хвороб і раку.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Серед наведених генів виберіть ті, що належать до генів домашнього господарства.

А гени рибосомальних білків і гліколізу

Б гени білків реплікації ДНК і ферментів синтезу інсуліну

В гени ферментів утворення хлорофілу і ферментів синтезу крохмалю

Г гени травних ферментів і ферментів синтезу глікогену

Д гени білків електронтранспортного ланцюга мітохондрій і ферментів синтезу гемоглобіну

• 2. Загальні фактори транскрипції

А потрібні для реплікації ДНК

Б наявні лише в певних типах клітин

В виконують функції репресорів транскрипції

Г функціонують у всіх клітинах

Д відсутні в клітинах печінки

• 3. Необхідною умовою роботи енхансерів є

А приєднання РНК-полімерази до ланцюга ДНК

Б вигинання ДНК

В розплітання дволанцюгової ділянки ДНК РНК-полімеразою

Г наявність у клітині білка-репресора

Д відсутність у клітині рецептора до стероїдних гормонів

• 4. Заповніть пропуски у твердженні про триптофановий оперон.

За наявності триптофану в клітині у великій кількості репресор (1), а гени біосинтезу триптофану (2).

А 1 — зв’язаний з опероном, 2 — експресуються

Б 1 — не зв’язаний з опероном, 2 — не експресуються

В 1 — зв’язаний з опероном, 2 — не експресуються

Г 1 — не зв’язаний з опероном, 2 — експресуються

Д 1 — експресується, 2 — також експресуються

• 5. Увідповідніть регулятор транскрипції з механізмом його регулювальної дії.

1. репресор

2. активатор

3. енхансер

4. фактор транскрипції

А за його відсутності транскрипція не відбувається

Б білок, що підвищує ефективність транскрипції

В фрагмент ДНК, що з’єднується з активатором

Г фрагмент ДНК, що блокує зв’язування РНК-полімерази з ДНК

Д білок, що зв’язується з оператором

У житті все просто

• 6. Чому, незважаючи на однаковий набір спадкової інформації, клітина серцевого м’язу відрізняється за будовою і функціонуванням від клітини печінки? Схарактеризуйте всі чинники, пов’язані зі спадковим матеріалом, що зумовлюють ці відмінності.

• 7. Спрогнозуйте можливі наслідки порушення структури цитоплазматичного рецептора естрогену.

• 8. Чому реплікація домінує над транскрипцією?

У житті все не так просто

• 9. Поряд з енхансерами є сайленсери (від англ. silence — тиша, мовчання), між якими існує певний антагонізм. Яка функція сайленсерів? Чому й як їх порушення може спричиняти хвороби (наприклад, хорею Гантінгтона)?