Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции у прокариот. Механизмы позитивной регуляции транскрипции. Структура хроматина как специфический регулятор экспрессии генов. Посттранскрипционная регуляция экспрессии, регуляция генов на уровне трансляции.
1. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции у прокариот
Регуляция транскрипции в клетках осуществляется на уровне индивидуальных генов, их блоков и даже целых хромосом. Возможность управления многими генами, как правило, обеспечивается наличием у них общих регуляторных последовательностей нуклеотидов, с которыми взаимодействуют однотипные факторы транскрипции. В ответ на действие специфических эффекторов такие факторы приобретают способность с высокой точностью связываться с регуляторными последовательностями генов. Следствием этого является ослабление или усиление транскрипции (репрессия или активация) соответствующих генов.
Три основных этапа транскрипции - инициация, элонгация и терминация, используются бактериальными клетками для регуляции синтеза РНК. То же, по-видимому, характерно и для остальных живых организмов. Ниже приведены примеры регуляторных воздействий на транскрипцию.
1.1 Регуляция на уровне инициации транскрипции
Активность многих генов прокариот регулируется с помощью белковых факторов, взаимодействующих с регуляторными участками промоторов генов. При этом происходят как активация транскрипции генов, так и подавление считывания генетической информации РНК-полимеразами. В первом случае регуляторные белковые факторы называют активаторами, осуществляющими позитивную регуляцию транскрипции, а во втором - репрессорами. Регуляцию, связанную с подавлением транскрипции, называют негативной.
Механизмы, при помощи которых активаторы стимулируют инициацию транскрипции, могут быть рассмотрены с двух точек зрения - кинетической и структурной. Поскольку активация промоторов путем образования открытых комплексов является лимитирующей стадией на пути активации транскрипции в целом, действие различных активаторов может быть охарактеризовано по изменению (увеличению) значений кинетических параметров реакций, происходящих на разных этапах активации. Так, при действии активирующего комплекса Crp-CAMP на lac-промотор происходит десятикратное увеличение равновесной константы ассоциации KB РНК-полимеразы с промотором с образованием закрытого комплекса. Активация промотора PRM фага ?, опосредованная CI-белком, характеризуется пяти-десятикратным увеличением константы скорости kf перехода закрытых комплексов в открытые. Активирующее действие белка ?-CII на промотор PRE сопровождается изменением обоих вышеупомянутых кинетических параметров. Активация транскрипции может быть также опосредована увеличением скорости освобождения промотора РНК-полимеразой после инициации синтеза РНК.
Многие активаторы транскрипции, в том числе и Crp-CAMP, сгибают молекулу ДНК после взаимодействия с ней, причем центр такого изгиба находится в сайте связывания активатора. Однако с использованием мутантных белков было установлено, что изгибание ДНК и связывание активаторов с ДНК как таковое еще не обеспечивают активацию транскрипции. В большинстве случаев абсолютно необходимым условием активации является наличие контакта между специфическими областями поверхностей молекул активатора и РНК-полимеразы, часто с ее ?-субъединицами. Важным следствием образования контактов между активаторами и холоферментом РНК-полимеразы является часто наблюдаемый синергизм в связывании обоих белков с соответствующими промоторами. При этом мутации в сайтах связывания активаторов или промоторе как таковом могут предотвращать активацию транскрипции путем изменения конформации молекулы связанного активатора или контактного участка на РНК-полимеразе.
Последовательности нуклеотидов промоторных участков генов, с которыми взаимодействуют молекулы репрессора, получили название операторов. Во многих случаях репрессор связывается с оператором только в присутствии низкомолекулярного лиганда, специфически взаимодействующего с репрессором. Такие низкомолекулярные эффекторы получили название корепрессоров. Они часто требуются и для функционирования белков-активаторов транскрипции. Простейший механизм репрессии заключается в стерическом блокировании связывания РНК-полимеразы с промотором. Это происходит в том случае, если последовательности нуклеотидов мест посадки РНК-полимеразы на промотор и репрессора на оператор перекрываются. Некоторые бактериальные белки-репрессоры могут оказывать свое негативное действие на этапы инициации, происходящие после связывания РНК-полимеразы с промотором. Например, молекулы репрессора gal-оперона E. coli, связавшиеся с операторами OE и OI, центры последовательностей которых расположены соответственно на расстояниях -60,5 и 53,5 по отношению к точке инициации транскрипции, вызывают образование петли участка ДНК, заключенного между ними, но не препятствуют взаимодействию РНК-полимеразы с промотором. Они оказывают свое действие на последующие этапы инициации, предшествующие образованию первой фосфодиэфирной связи. В том случае, если лишь одна молекула репрессора связывается с внешним оператором OE, он частично ингибирует транскрипцию путем взаимодействия с ?-субъединицей РНК-полимеразы.
Список литературы
1. Жимулев И.Ф. Гетерохроматин и эффект положения гена. Новосибирск: Наука, 1993. 491 с.
2. Льюин Б. Гены. М.: Мир, 1987. 544 с. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот / Под ред. А.С. Спирина. М. Высш. шк., 1990. 352 с.
3. Bashirullah A., Cooperstock R.L., Lipshitz H.D. RNA localization in development // Annu. Rev. Biochem. 1998. Vol. 67. P. 335-394.
4. Blumenthal T. Trans-splicing and polycistronic transcription in Caenorhabditis
5. elegans // Trends Genet. 1995. Vol. 11. P. 132-136.
6. Bock A., Forchhammer K., Heider J. et al. Selenoprotein synthesis: An expansion of the genetic code. // Trends Biochem. Sci. 1991. Vol. 16. P. 463-467.
7. Bochtler M., Ditzel L., Groll M. et al. The proteasome // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1999. Vol. 28. P. 295-317.
8. Bohley P. The fate of proteins in cells // Naturwissenschaften. 1995. Vol. 8 P. 544-550.
9. Calkoven C.F., Geert A.B. Multiple steps in the regulation of transcription-factor level and activity // Biochem. J. 1996. Vol. 317. P. 329-34
10. Callis J. Regulation of protein degradation // The Plant Cell. 1995. Vol. 7. P. 845-857.
11. Chabot B. Directing alternative splicing: Cast and scenarios // Trends Genet. 1996. Vol. 1 P. 472-478.
12. Clark A.L., Docherty K. Negative regulation of transcription in eukaryotes // Biochem.J. 1993. Vol. 295. P. 521-541.
13. Cooper A.A., Stevens T.H. Protein splicing, self-splicing of genetically mobile elements at the protein level // Trends Biochem. Sci. 1995. Vol. 20. P. 351-356.
14. Evdokimova V.M., Ovchinnikov L.P. Translational regulation by Y-box transcription factor: Involvement of the major MRNA-associated protein, p50 // Intern. J. Biochem. Cell Biol. 1999. Vol. 31. P. 139-149.
16. Futterer J., Hohn T. Translation in plants - rules and exceptions // Plant Mol. Biol.
17. 1996. Vol. 3 P. 159-189.
18. Gerasimova T.I., Corces V.G. Boundary and insulator elements in chromosomes //
19. Curr. Opinion Genet. Develop. 1996. Vol. 6. P. 185-19
20. Guarente L. Transcriptional coactivators in yeast and beyond // Trends Biochem. Sci. 1995. Vol. 20. P. 517-521.
21. Jentsch S., Schlenker S. Selective protein degradation: A journey’s end within the 22. proteasome // Cell. 1995. Vol. 8 P. 881-884.
23. Latchman D.S. Eukaryotic transcription factors // Biochem J. 1990. Vol. 270. P. 281-289.
24. Lyon M.F. X-chromosome inactivation // Curr. Biol. 1999. Vol. 9. P. R235-R237.
25. MCCARTHY J.E.G. Posttranscriptional control of gene expression in yeast // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998.Vol. 6 P. 1492-1553.
26. Mor A., Amiche M., Nicolas P. Enter a new post-translational modification: D-amino acids in gene-encoded peptides // Trends Biochem. Sci. 199 Vol. 17. P. 481-485.
28. Orphanides G., Lagrange T., Reinberg D. The general transcription factors of RNA polymerase II // Genes Develop. 1996. Vol. 10. P. 2657-2683.
29. Raught B., Gingras A.-C. EIF4E activity is regulated at multiple levels // Intern. J. Biochem. Cell. Biol. 1999. Vol. 31. P. 43-57.
30. Struhl K. Fundamentally different logic of gene regulation in eukaryotes and prokaryotes // Cell. 1999. Vol. 98. P. 1-4.
31. Udvary A. Dividing the empire: Boundary chromatin elements delimit the territory of enhancers // EMBO J. 1999. Vol. 18. P. 1-8.
32. Van der Velden A.W., Thomas A.A.M. The role of 5" untranslated region of an MRNA in translation regulation during development // Intern. J. Biochem. Cell Biol. 1999. Vol. 31. P. 87-106.
33. Wolberger C. Combinatorial transcription factors // Curr. Opinion Genet. Develop. 1999. Vol. 8. P. 552-559.
34. Wolberger C. Multiprotein-DNA complexes in transcriptional regulation // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1999. Vol. 28. P. 29-56.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
