Особенности регуляции экспрессии генов у эукариот

Регуляция экспрессии генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма.

Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы прояв­ляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов.

Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.

1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов - регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах.

1. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких.

2. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов.

3. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов (про-и-РНК), т.е. сплайсингом.

5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК.

5. Транскрипция в эукариотических клетках не всегда сопряжена с трансляцией. Синтезированная и-РНК может длительное время сохраняться в виде информосом. Транскрипция и трансляция проис­ходят в разных компартментах.

5. Некоторые гены эукариот имеют непостоянную локализа­цию (лабильные гены или транспозоны).

6. Методы молекулярной биологии выявили тормозящее действие белков-гистонов на синтез и-РНК.

7. В процессе развития и дифференцировки органов активность генов зависит от гормонов, циркулирующих в организме и вызывающих специфические реакции в определенных клетках. У млекопитаю­щих важное значение имеет действие половых гормонов.

10. У эукариот на каждом этапе онтогенеза экспрессировано 5-10% генов, остальные должны быть заблокированы.

Генетический импринтинг

Одно из основных правил наследования признаков является правило равнозначной функции аллеля, полученного от отца и от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться.

Функции генов взаимосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такое явление объясняется генетическим импринтингом, т.е. механизмом, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены - материнского или отцовского организма.

Следовательно, генетический импринтинг - это эпигенетический (надгенетический – не кодируемый) процесс маркировки (обозначения) некоторых локусов хромосом одного из родителей, что сопровождается выключением экспрессии расположенных в маркированных локусах генов. Таким образом, в участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов. При этом в одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно,

транскрибируются материнские, а в других - материнские, и, следовательно, транскрибируются отцовские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства.

В итоге, фенотипическое проявление конкретного гена может меняться из-за трёх причин: его делеции, мутации в нём и эпигенетического выключения экспрессии, т.е. импринтинга.

Механизм импринтинга наиболее вероятно заключается в специфическом метилировании цитозиновых оснований ДНК, что приводит к выключению транскрипции генов.

Сейчас у человека известно около 30 генов, подверженных импринтингу и имеющих тканеспецифическую моноаллельную экспрессию, и 3 кластера (пучков) генов, локализованных в 7q, 11p и 15q хромосомах. В случае отсутствия мутаций это явление обеспечивает фенотипическое разнообразие белковых структур на уровне организма. Если же в этих участках происходит мутация (микроделеции, микродупликации), то все они имеют отношение к наследственной патологии.

Генетический импринтинг может затрагивать целую хромосому и даже геномы. При изучении геномного импринтинга у человека на примере пузырного заноса (ткани эмбриона не развиваются, бурно разрастается [пролиферирует] трофобласт, заполняющий полость матки) стало известно, что развитие плаценты обеспечивается геномом отца, а раннее развитие эмбриональных структур - геномом матери.