Механизмы дифференциальной транскрипции генов

Для осуществления правильной транскрипции необходимы регуляторные элементы двух типов. Регуляторные элементы первого типа называют цис-регуляторами. Они представляют собой специфические последовательности ДНК на данной хромосоме. Цис-регуляторы оказывают действие только на ближние гены.

Второй тип называют транс-регуляторами. Это растворимые молекулы (включая белки и РНК), которые продуцируются одним геном, а взаимодействуют с другими генами на той же хромосоме или на других хромосомах.

В эукариотических генах, кодирующих мРНК, обнаружены два типа цис-регуляторных последовательностей ДНК - промоторы и энхансеры («усилители»).

Известны энхансерные последовательности, которые регулируют или время экспрессии генов, или специфичность экспрессии, или то и другое одновременно. Одно из наиболее резких по времени переключений генной активности наблюдается при переходе к средней бластуле (ПСБ) у зародышей лягушки. Было обнаружено, что определенные гены содержат энхансер, который в это время специфично активируется. Обнаружены также тканеспецифические энхансеры, подобные энхансеру гена тяжелой цепи иммуноглобулина. Существуют также энхансеры, реагирующие на гормоны. В ходе развития нередко приходится наблюдать координированную регуляцию экспрессии генов. Это явление имеет место, когда в клетках одного типа одновременно синтезируются несколько специфичных для них белков или когда какой-либо гормон индуцирует экспрессию нескольких генов в клетках различного типа. Накапливающиеся данные свидетельствуют о том, что по крайней мере в некоторых случаях координированная регуляция генов осуществляется, когда различные структурные гены присоединены к одинаковым или похожим энхансерам. В поджелудочной железе энхансеры для десяти эндокринных белков имеют консенсусную последовательность из 20 пар оснований.

Транскрипция генов легких цепей иммуноглобулинов

Один из наиболее хорошо изученных случаев регуляции генов на уровне транскрипции относится к иммуноглобулиновым генам мыши. Были идентифицированы цис- и транс-регуляторные элементы, необходимые для специфической транскрипции этих генов в В-клетках. Промотор легкой цепи иммуноглобулина имеет два критических участка-ТАТА-бокс и передний элемент, называемый «окта»-боксом. Промоторы генов тяжелых цепей иммуноглобулинов имеют «инвертированный» октабокс, АТГЦАААТ. Последовательность энхансера генов легких цепей иммуноглобулинов расположена внутри первого интрона между последовательностью VJ и последовательностью константной области. При созревании лимфоцитов в ходе перестроек генов происходит сближение энхансеров и промоторов. Количество ядерных транскриптов с перестроенных генов легких цепей (имеющих сближенные промотор и энхансер) более чем в 16 000 раз превышает количество транскриптов с генов, которые не перестроены.

Однако перестройки сами по себе еще не обеспечивают активацию генов, для начала транскрипции необходимо присутствие специфических для клетки транс-регуляторных факторов. Были идентифицированы два фактора, связывающиеся с промотором Белок, специфический для лимфоцитов, был назван NF-A2.Второй фактор, белок NF-кВ, обнаруживается только в зрелых В-клетках и плазматических клетках, т. е. в единственных известных клетках, синтезирующих иммуноглобулины. Активный NF-кВ не обнаружен в клетках какого-либо другого типа (в том числе и в пре-В-клетках), а также в линии плазматических клеток, которые утратили способность синтезировать легкую цепь иммуноглобулинов. Активный белок NF-кВ появляется тогда, когда пре-В-клетки индуцируются к образованию В-клеток. Оказалось, что белок NF-кВ в неактивной форме содержится в клетках многих типов, но модифицироваться в активную форму он может только в В-клетках. Таким образом, транскрипция этого иммуноглобулинового гена зависит от исходной активности двух ядерных белков, NF-A2 и NF-кВ, которая наблюдается только в клетках В-ряда. Пока еще до конца не ясно, каким образом вызывается дифференциальная экспрессия этих двух генов в развивающемся лимфоците.

Метилирование ДНК. Метилирование ДНК может менять структуру гена и благодаря этому регулировать его активность. В развивающихся спермиях не наблюдается ни одно из распределений гипометилирования, характерных для соматических клеток. Все специфические для клеток гены (глобинов, овальбумина, иммуноглобулинов и т. д.) являются высокометилированными. Большая часть гипометилированных сайтов, обнаруженных до сих пор в сперматогониях (предшественниках спермиев), оказываются метилированными в зрелых спермиях. По разнице в метилировании генов спермия и яйца можно определить, получен ли ген от отца или от матери. Если ядра первичных половых клеток и у самцов, и у самок резко гипометилированы, то гены спермия и яйца интенсивно метилированы. Кроме того, характер метилирования данного гена в яйце и спермин может различаться. Этот материнский и отцовский импринтинг добавляет информацию к наследуемым геномам - информацию, которая может регулировать активность генов и поведение хромосом в пространстве и во времени.