3 Регуляция экспрессии генов (1)

1. РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ

2. План лекции

1. Функционально-генетическая классификация
генов. Общие принципы контроля генной
активности
генетическими
и
негенетическими факторами
2. Особенности организации и экспрессии
генетической информации у прокариот и
эукариот
3. Регуляция экспрессии генов прокариот
4. Регуляция экспрессии генов эукариот

3. Классификация генов

Структурные гены – это гены,
которые кодируют белок или РНК
(рРНК, тРНК или другой вид РНК)
Функциональные гены – гены,
которые
регулируют
процессы
биосинтеза белка

4.

Среди
функциональных
генов
выделяют гены, регулирующие работу
структурных
генов
и
гены
модуляторы,
усиливающие
или
ослабляющие действие структурных
генов.

5.

К функциональным генам, координирующим
активность структурных генов относятся:
1) ген промотор указывает место начала
транскрипции
2) ген-оператор включает или выключает
транскрипцию со структурных генов
3) ген-терминатор
контролирует
окончание транскрипции. В этом участке
РНК-полимераза отделяется от мРНК

6.

4) ген-регулятор отвечает за синтез
регуляторных белков, влияющих на ген
оператор. Они или активирует ген
оператор или блокируют его. Если
белки-регуляторы присоединяются к
оператору и вызывают связывание
промотора с РНК-полимеразой то они
называются активаторами, а контроль
экспрессии генов позитивным.

7.

Если белок регулятор взаимодействует
с геном оператором и это блокирует
присоединение РНК-полимеразы к
промотору, то такой белок называется
репрессором,
а
контроль
негативным.

8.

9. Гены модуляторы

а) ингибиторы или супрессоры
б) интенсификаторы (например, генымутаторы, повышающие частоту мутаций у
соответствующей особи)
в) модификаторы - не имеют собственного
выражения в фенотипе, но оказывают
усиливающее или ослабляющее влияние на
экспрессию других генов

10. Негенетические факторы в регуляции генной активности

В регуляции экспрессии генов на стадии
транскрипции
принимают
участие
негенетические факторы. К ним относятся
вещества
небелковой
природы
–
эффекторы. Они взаимодействуют с
белками-регуляторами и изменяют их
способность соединяться с оператором.

11.

В зависимости от результатов такого
взаимодействия среди эффекторов
различают индукторы, запускающие
транскрипцию,
и
корепрессоры,
препятствующие ей.

12. Экспрессия гена

Экспрессия гена - последовательность
реакций на пути от гена к белку.
В каждый момент времени любая клетка
использует лишь часть своих генов для
синтеза определенных продуктов.
Мы говорим, что те гены, которые
экспрессируются - включены, а те, которые
не экспрессируются – выключены. Это
означает, что экспрессия генов регулируется

13.

14.

15. Регуляция экспрессии генов у прокариот

Схема регуляции
экспрессии генов у
прокариот была
предложена Ф.
Жакобом и Ж.
Моно в 1961 году
на примере
лактозного
оперона.

16. Оперон

Оперон - это блок тесно связанных
структурных и функциональных генов (геноператора, промотора и терминатора). Вся
группа структурных и функциональных
генов функционируют одновременно и
синтезируются все ферменты одной цепи
биохимических
реакций
или
не
синтезируются ни один из них.

17.

Оперонная модель предполагает наличие
единой системы регуляции, при этом группа
структурных генов имеет один общий
промотор, один ген оператор и ген
регулятор,
находящийся
обычно
на
некотором расстоянии от оперона. Ген
регулятор постоянно активен и на основе
его информации синтезируется особый
белок регулятор.

18. Лактозный оперон (lac оперон)

Одним из примеров регуляции синтеза белка
может быть лак-оперон.
В эксперименте с кишечной палочкой было
отмечено, что после введения в питательную
среду бактерий сахара-лактозы они способны
расщеплять её на простые вещества. В клетке
появляются 3 фермента, кодируемые 3-мя
разными генами, входящими в один оперон.

19. Метаболизм лактозы в клетке кишечной палочки (Escherichia coli)

Для расщепления лактозы используются три
фермента:
- Lac Z: β – галактозидаза расщепляет лактозу на
глюкозу и галактозу
- Lac Y: β- галактозидпермеаза переносит лактозу
через мембрану клетки
- Lac A: тиогалактозидтрансацетилаза ацетилирует
галактозу

20.

21.

Регуляция экспрессии генов лак-оперона идет по
типу индукции. В этом случае оперон работает,
идет транскрипция со структурных генов: регуляция
позитивная. Лактоза выступает в роли индуктора.
Для этого она связывает белок-репрессор, изменяет
его третичную структуру и он теряет способность
соединяться с геном оператором. Свободный геноператор запускает транскрипцию со структурных
генов и синтезируется единая полицистронная
мРНК, затем она распадается на 3 фрагмента и с них
синтезируются 3 фермента расщепляющие лактозу.

22.

После исчезновения из среды лактозы
освобождается белок-репрессор, который
снова блокирует ген- оператор - работа
оперона
прекращается
(оперон
не
работает). Она опять возобновляется при
поступлении индуктора. Для каждого
оперона имеется свой специфический
индуктор.

23. Оперон работает

24. Оперон не работает

25. Триптофановый оперон

Триптофановый оперон (trp-оперон) клеток E.
coli, содержащий пять структурных генов (А, B,
C, D, E), необходим для образования трех
ферментов, участвующих в синтезе триптофана.
Смысл этого способа регуляции: накопление в
среде излишков продукта реакции (триптофана)
“выключает”
синтез
белков-ферментов,
синтезирующих этот продукт.

26.

Белок-репрессор
синтезируется
в
неактивной форме, поэтому не может
сразу после своего синтеза блокировать
оператор. В активную форму репрессор
переводит
присоединение
к
нему
корепрессора – триптофана. Активный
репрессор присоединяется к оператору, что
блокирует транскрипцию со структурных
генов.

27. Триптофановый оперон: А – оперон работает, Б – оперон не работает

28. Регуляция экспрессии генов у эукариот

Способы регуляции синтеза белка у эукариот
более разнообразны так как:
1. эукариоты намного больше прокариот по
размерам генома, клетки, организма в целом,
2. могут состоять из разных типов клеток
3. жизненный цикл более сложен и
продолжителен

29.

4. ядерная ДНК находится не в одной молекуле, а
представлена несколькими разными молекулами,
уложенными в хромосомы
5. Клетки в большинстве случаев диплоидные
6. кроме ядерной ДНК, имеется ДНК митохондрий
и хлоропластов, которая должна находиться под
контролем ядра
7. из-за наличия ядра процессы транскрипции и
трансляции разделены в пространстве и по
времени.

30.

В отличие от прокариот, у эукариот
большинство генов “выключено”, поэтому
регуляция направлена на их “включение”. У
эукариот
число
возможных
уровней
интенсивности белкового синтеза резко
возрастает. Эукариоты используют принцип
комбинирования (например альтернативный
сплайсинг) и стратегию наработки мРНК не
по потребности данного момента, а заранее,
впрок.

31.

Единица транскрипции у эукариот называется
транскриптоном. Он состоит из неинформативной
(акцепторной) и информативной (структурной) зон.
Неинформативная зона начинается промотором с
инициатором. Далее следуют группа геновоператоров,
за
которыми
расположена
информативная зона. Информативная зона образована
структурным геном, разделенным на экзоны
(информативные
участки)
и
интроны
(неинформативные участки).
Заканчивается транскриптон терминатором.

32.

33. Уровни регуляции экспрессии генов эукариот

34. Модификация ДНК

•Образование гетерохроматина
•Модификация гистонов
•Метилирование ДНК
•Амплификация генов

35.

Ведущая роль в компактизации ДНК
принадлежит гистонам, поэтому они участвуют
и в процессах регуляции генной активности.
Непременным условием для осуществления
транскрипции
у
эукариот
является
предварительная декомпактизация хроматина
на соответствующем участке, где временно
утрачивается связь с Н1-гистонами и несколько
ослабляется связь с нуклеосомными гистонами.

36. Модификации гистонов

•Метилирование
•Ацетилирование
•Фосфорилирование и др.

37. Метилирование и ацетилирование гистонов

38. Метилирование ДНК

Присоединение метильных групп к цитозиновым
основаниям ДНК является одним из механизмов
эпигенетической регуляции экспрессии генов.
Метилирование подавляет экспрессию гена.

39. Метилирование ДНК

40. Транскрипционный уровень

1. Энхансеры - участки ДНК вне промотора.
Связываются
с
различными
факторами
транскрипции и усиливают транскрипцию
определенных генов
2. Сайленсеры - регуляторные элементы ДНК,
ингибирующие транскрипцию с использованием
белков-репрессоров. При этом происходит прямое
подавление инициации транскрипции путем
разрушения транскрипционного комплекса на
промоторе

41.

3. Инсуляторы - особые регуляторные элементы ДНК, которые
обладают способностью блокировать сигналы, исходящие от
окружения. Они блокируют взаимодействие между энхансером и
промотором, если находятся между ними.

42. Посттранскрипционный уровень

1. Процессинг иРНК
2. Альтернативный сплайсинг
3. Скорость транспорта мРНК через
ядерную мембрану
4. Время жизни мРНК

43. Процессинг мРНК

Процессинг – созревание мРНК у эукариот
Большинство генов эукариот состоят из экзонов и
интронов. В процессе сплайсинга интроны
вырезаются, а экзоны сшиваются, образуя зрелую
РНК. Процесс удаления из пре-РНК интронов и
соединение экзонов называется сплайсингом. Кроме
сплайсинга происходит кэпирование 5'-конца,
(присоединение шапочки, кэп-структуры, которая
образована
ГТФ);
и
полиаденирование
присоединение поли-А хвоста

44. Процессинг мРНК

45. Альтернативный сплайсинг

Процесс, позволяющий получить различные белковые
продукты с одного гена благодаря “сшиванию” разных
наборов экзонов при построении разных мРНК.
Регулируется белками, способными связываться с премРНК в районе интронов или на границе “экзонинтрон”. Присоединение таких регуляторных белков
может блокировать удаление одних интронов,
одновременно активируя вырезание других.

46.

С гена кальцитонина может синтезироваться как
сам гормон кальцитонин, так и пептид другого
строения. В С-клетках щитовидной железы активен
один набор регуляторов сплайсинга, поэтому в
результате объединяются экзоны 1–4 пре-мРНК,
которые кодируют кальцитонин. В чувствительных
нейронах работает другой набор регуляторов
сплайсинга, поэтому образуется альтернативная
мРНК, в которой отсутствует экзон 4, но
прибавляются экзоны 5 и 6. В результате вместо
кальцитонина синтезируется иной по строению
пептид.

47. Альтернативный сплайсинг

48. Время жизни РНК

Известно, что время существования мРНК увеличивается с
удлинением ее полиА-хвоста. Время полужизни большинства
мРНК дрожжей составляет 10-20 мин, хотя для некоторых оно
уменьшается до 1 мин, а для других возрастает до 35 мин. У
млекопитающих время полужизни мРНК обычно составляет
несколько часов. Клетка имеет возможность резко снизить
время полужизни нежелательных мРНК (например,
вирусных): с помощью особых малых РНК и специальных
белковых комплексов такие мРНК обнаруживаются и
расщепляются. Этот механизм носит название РНКинтерференции, или посттранскрипционного генного
сайленсинга

49.

Скорость
освобождения
РНК
от
сопровождающих белков и поступления на
рибосомы
регулируется
белками,
окружающими ее в информосомах (РНП
комплексах). В цитоплазме мРНК могут
определенное время храниться в виде
нетранслируемых мРНП-комплексов.

50. РНК-интерференция

РНК-интерференция (RNA silensing) – это
подавление экспрессии генов у эукариот
(замалчивание
генов)
на
посттранскрипционном
уровне,
индуцированное
короткими
интерферирующими РНК (small interfering
RNA, siРНК).
Малые интерферирующие РНК возникают
из протяженной двуцепочечной РНК

51.

52. Схема РНК-интерференции. Двухцепочечная РНК процессируется ферментом Dicer, затем короткие фрагменты включаются в

нуклеопротеиновый комплекс RISC, который
разрушает мРНК, содержащую участки, комплементарные
РНК в составе комплекса.

53. Трансляционный уровень

1. Предотвращение рибосом от связывания с
мРНК
2. Факторы инициации трансляции

54. Дискриминация мРНК (регуляция количеством рибосом)

Одни мРНК – сильные – легко связываются с рибосомой, в
единицу времени на них успевает “нанизаться” много
рибосом, поэтому и белка синтезируется много. Другие
мРНК – слабые. Сильной или слабой окажется мРНК –
зависит от строения ее 5’- концевых инициирующих и
рибосомсвязывающих участков.

55. Факторы трансляции

Есть
факторы
инициации
трансляции,
элонгации и терминации.
Например, фактор инициации трансляции eIF2,
активная форма которого нефосфорилирована.
Без этого фактора невозможна инициация
трансляции любых мРНК клетки.

56.

У животных и грибов в определенных
условиях активируются специальные
ферменты – особые киназы, которые
фосфорилируют α-субъединицу белка
eIF2, инактивируя его. Сигналы для
активации киназ:
тепловой шок и
другие
стрессорные
воздействия,
недостаток
аминокислот,
железа,
ростовых факторов, вирусные инфекции
и др.

57. Посттрансляционный уровень

1. Активация белков
Некоторые белки не активны после синтеза, они
должны пройти пострансляционные модификации.
2. Feedback Control
Некоторые ферменты в метаболических путях могут
быть негативно ингибированы продуктами этого же
пути
3. Деградация белков

58. После синтеза на рибосомах белки претерпевают:

– гликозилирование;
– ацетилирование;
– метилирование;
– фосфорилирование;
– сульфатирование остатков тирозина;
– пренилирование (присоеинение изопреновых звеньев);
– объединение нескольких протомеров – субъединиц;
– образование внутри- и межцепочечных S-S-связей;
– ковалентное присоединение кофакторов.

59.

Время существования внутриклеточных белков
может различаться на несколько порядков в
зависимости от их функции и структуры. Около 1/3
вновь синтезированных полипептидных цепей сразу
же после синтеза расщепляются до аминокислот
ферментами
протеиназами.
Обычно
быстро
распадаются регуляторные белки, что позволяет
клетке
быстро
переключаться
с
одной
функциональной
программы
на
другую.
Структурные и постоянно нужные клетке белки
существуют гораздо дольше.