Регуляция синтеза белка у эукариот

Механизм регуляции биосинтеза белков в эукариотических изучено гораздо меньше, чем у прокариот. В последние годы благодаря исследованиям в области генной инженерии был достигнут значительный прогресс, в понимании экспрессии эукариотических генов.

Считают, что основные принципы регуляции в них аналогичные прокариот, но в целом этот процесс сложным и происходит иначе. У эукариот существует ряд точек приложения регуляторных влияний, которые абсолютно отсутствуют в прокариот. Для эукариот не характерна прямая субстратная регуляция, распространенная в прокариот. В еукари-отив не найдено регуляторных белков типа белков-репрессор бактерий, которые сочетают в себе функции распознавателя химических сигналов метаболизма (специфически связывают свои метаболиты) и регулятора транскрипции оперона. У млекопитающих и высших растений хроматин, организован в хромосомы, построенный значительно сложнее, чем у бактерий. Генетический материал находится в ядре, которое окружается ядерной мембраной.

Поэтому процессы транскрипции (ядро) и трансляции (цитоплазма) разделены, поскольку рибосомы находятся в основном в цитоплазме. Экспрессия генов в эукариот состоит из гораздо большего количества этапов, чем у прокариот, особенно это касается процессы на-гу пре-мРНК. Сложным является и обратная связь — влияние метаболитов и других химических регуляторов цитоплазмы на активность генов (легко осуществляется у бактерий). Отличие в регуляции обусловлена также межклеточными взаимодействиями, дифференциацией клеток. В отличие от прокариот, оперона эукариот, как правило, моноцистронни, с очень большими регуляторными зонами. Это связано с их способностью воспринимать большое количество различных факторов, которые изменяют транскрипционных активность. В эукариот структурные гены, отвечающие за различные звенья того или иного цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном оперона, что часто наблюдается в прокариот. В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессированному состоянии: время в среднем считываются только около 10% генов.

Все структурные гены эукариот условно делят на три типа: а) гены, которые функционируют во всех клетках организма (например, гены, отвечающие за синтез ферментов энергетического обмена), б) гены, которые функционируют только в тканях одного типа (в частности, синтез миозина в мышечной ткани) в) гены, необходимые для выполнения клетками специфических функций (например, синтез белка хрусталика).

Было показано, что на экспрессию эукариотических генов влияет амплификация и перестройка генов. Известно, что в формировании хроматина участвуют ДНК, белки и небольшое количество РНК. ДНК ассоциируется с гистонами и негистоновимы белками. Установлено, что гистоны и негистонови белки (НГБ) играют важную роль в проявлении активности генома. Так, в опытах на животных было показано, что при удалении гистонов путем расщепления трипсином, активируется синтез РНК и белков. При добавлении гистонов эти процессы подавлялись. У прокариот гистоны отсутствуют.

Гистоны содержат большое количество остатков диаминомонокарбонових кислот (аргинина, лизина) и имеют положительный заряд. Поэтому они легко связываются с отрицательно заряженными остатками фосфорной кислоты полинуклеотидных цепей ДНК и блокируют процесс РНК-полимеразной реакции. Гистоны больше, по сравнению с другими белками, испытывают модификации. Они могут фосфорилюватися за счет АТФ в присутствии фермента протеинкиназы, а также ацетилюватися и метилюватися, что приводит к ослаблению или нейтрализации положительного заряда. Вследствие этого гистоны изменяют уровень укладки ДНК и, таким образом, регулируют ее матричную активность, т. е. теряют свою тормозную способность, так как ослабляется связь между ДНК и гистонами.

Небольшая разнообразие и гетерогенность гистоновых белков (всего 5 различных фракций, хотя модификация и увеличивает их количество) не позволяет полностью объяснить регуляцию функциональной активности ДНК. В связи с этим большое внимание уделяется НГБ, в состав которых 400 входит более кислых белков, содержащих остатки моноаминодикар-боновых кислот. Негистонови белки отличаются большим разнообразием. Известно около 500−600 фракций, поэтому считается, что они выполняют роль специфических регуляторов транскрипции. Они несут отрицательный заряд, но могут быть также связанными непосредственно с ДНК, причем не вообще с любыми ее участками, а специфически, облегчая транскрипцию в месте связывания с ДНК.

Они, как и гистоны, могут в составе хроматина оборотно модифицироваться благодаря реакциям фосфорилирования, метилирования, ацетилирования, АДФ-рибозилювання и др., При этом изменяется прочность связи с ДНК и количество мест инициации транскрипции. Однако еще недостаточно изучено молекулярный механизм включения транскрипции негистоновы-ми белками. Возможно, приобретая большого отрицательного заряда, они либо образуют комплекс с положительно заряженными гистонами, оттесняя их в определенном участке от ДНК, или дестабилизируют молекулу ДНК, взаимодействуя непосредственно с ней. Этим облегчаются процессы транскрипции. На рис. 83 представлено примерную схему регуляции транскрипции белками хроматина.

Третий тип регуляторов транскрипции — это молекулы, так называемой векторной РНК, которая находится в ядре, не оставляя его в комплексе с белком в виде рибонуклеопротеину (РНП), который может избирательно включать гены путем комплементарной взаимодействия с акцепте-Торн участками транскриптонив. Гистоны, негистонови белки и векторная РНК неравномерно распределены вдоль полинуклеотидных цепей ДНК хроматина. Отдельные участки остаются свободными. Все это обусловливает разную степень розрепресованости отдельных участков ДНК. Состояние ДНК у прокариот отличается по сравнению с эукариотической клетки. В бактериальной клетке ДНК находится в относительно свободной форме.

В эукариотических организмов широко распространенная регуляция активности генов особыми сигнальными веществами, которые вырабатываются другими клетками. Примерами таких сигнальных соединений могут быть гормоны, которые действуют на клетки-мишени (см. Гормоны), нейромедиаторы, биогенные амины. Например, индукторами могут быть некоторые стероидные гормоны, тироксин, которые легко проходят клеточную мембрану, образуют в цитоплазме клетки комплексы со специфическими белками-рецепторами, изменяя их конформацию.

В активированной форме гормон-рецепторный комплекс проникает в ядро, где, связываясь с регуляторными белками хроматина (гистоны, НГБ) или ДНК, способствуют их модификации благодаря или прямом связыванию с ними, или активации ферментов, осуществляющих фосфорилирование, ацетилирование, метилирования, регулируя при этом транскрипцию «своих» генов и синтез специфических белков. Любой из этих механизмов облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором и обеспечивает образование пре-мРНК, а затем — и белка.