В.А. Гвоздев - Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции (статья) (1117908), страница 2
Текст из файла (страница 2)
åÖïÄçàáåõ êÖÉìãüñàà ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ Ç èêéñÖëëÖ íêÄçëäêàèñàà25АДвунитевая ДНК12РепрессорАктиватор3БКольцеваяхромосомабактерийТопоизомеразы4ТопоизомеразыКлеточная мембранаВДвунитевая ДНКГБелки матриксаЯдерная мембранаРис. 2. Подвижность пространственной структуры ДНК.А: 1 – участок молекулы ДНК со случайной нуклеотидной последовательностью; 2 – самопроизвольный изгибДНК, определяемый особенностями нуклеотидной последовательности; 3, 4 – изгибы ДНК в результате присоединения белка репрессора или активатора.
Б – сверхспирализация ДНК. В – представление о сверхспирализациина модели скрученной резиновой трубки. Г – петельная укладка ДНК в клеточном ядре.Т – тимидин и А – аденин), узнаваемые факторами транскрипции. Некоторые из них узнаютсябелками, составленными из двух идентичных илидостаточно сходных полипептидных субъединиц.Такой принцип узнавания широко распространен иу бактерий. Его преимущество состоит в том, чтонебольшая молекула индуктора или активатора,присоединяясь к одной субъединице, резко ускоряет присоединение второй молекулы к другойсубъединице, способствуя тем самым быстрому образованию биологически активного белкового26комплекса в ответ на изменение концентрации индуктора/активатора в клетке.
Другие важные следствия парной (димерной) структуры белков, взаимодействующих с ДНК, будут отмечены дальше.Короткие нуклеотидные последовательности (“мотивы”), узнаваемые факторами транскрипции,обычно разбросаны на участке длиной 300 – 400нуклеотидных пар перед геном (рис. 3А). Кроме того, у эукариот нередко встречаются усилители,представленные также короткими участками ДНК,узнаваемыми белками. Усилители могут бытьëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹1, 1996цесс дифференцировки в развитии организма, который приводит к образованию разных типов тканей, различающихся наборами работающих генов.Наличие тех или иных белковых факторов, взаимодействующих с промотором или усилителем, либоглушителем, будет проявляться в том, что данныйген либо будет активно работать (“экспрессироваться”), либо его активность будет подавлена (“репрессирована”).расположены достаточно далеко, на расстоянии1000 нуклеотидных пар и более от старта транскрипции.
Их активирующее воздействие на транскрипцию гена можно представить, принимая вовнимание, что ДНК может изгибаться, в результатечего усилитель и связанный с ним белок будут приближены к участку связывания РНК-полимеразыс ДНК (рис. 3). Сходным образом могут действовать и “глушители”, подавляющие транскрипцию.Интересно, что усилитель может превращаться вглушитель в зависимости от того, какие белки с нимбудут взаимодействовать в данной клетке. Клеткиразных тканей различаются по набору таких регуляторных белков. Благодаря этому достигается про-Итак, активная транскрипция гена становитсявозможной после того, как на ДНК соберется крупный белковый комплекс, включающий факторытранскрипции и РНК-полимеразу. Целый ряд других белков, присоединяясь к ДНК в областиФакторы транскрипцииА“Усилитель”Нуклеотидные“мотивы”РНК-полимеразаФ-остатокфосфорной кислотыФФУчасток связыванияДНК с рецепторомБГлушительТранскрипцияподавленаБелок-рецепторАктивация гормономтранскрипции генаГормонСинтез РНКЦитоплазмаЯдроРис.
3. Транскрипционные комплексы в ядрах клеток высших организмов. Стрелка указывает начало транскрипции.А – пространственные взаимодействия белков друг с другом и с ДНК. Б – воздействие стероидных гормонов на активность генов.ÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä. åÖïÄçàáåõ êÖÉìãüñàà ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ Ç èêéñÖëëÖ íêÄçëäêàèñàà27коротких нуклеотидных “мотивов”, располагающихся вблизи гена или удаленных от него, взаимодействуют друг с другом или непосредственно сРНК-полимеразой, обеспечивая транскрипцию.Пространственные структуры (конформация) белковых факторов должны быть хорошо “подогнаны”друг к другу (рис. 3), обеспечивая тем самым либоработу гена, либо, наоборот, его выключение.
Такойспособ взаимодействия компонентов – белковыхфакторов транскрипции и РНК-полимеразы друг сдругом – сравнивают со складыванием отдельных,достаточно причудливой формы кусочков детскоймозаики, когда ребенку удается составить осмысленную живую картинку из отдельных фрагментов.В рамках этой модели мозаики можно представитьсебе, как действуют, например, стероидные гормоны. Гормон проникает в клетку, где в цитоплазмесвязывается с рецептором-белком, являющимсяфактором транскрипции. В результате такого взаимодействия участок белковой молекулы-рецептора(“домен”), способный специфично связываться сДНК, освобождается от других белков, скрывавшихего в отсутствие гормона (рис.
3Б). Комплекс гормона с рецептором перемещается в ядро и связывается с определенными нуклеотидными “мотивами”тех генов, которые регулируются гормонами. Например, это гены, кодирующие белки, регулирующиеконцентрацию кальция в организме ( остеокальцин )и определяющие образование костей. В результатенеактивный транскрипционный комплекс можетпревратиться в активный благодаря вытеснению изнего белка, связанного с участком “глушителя” наДНК.Гормон-рецепторные комплексы могут не только активировать, но и подавлять активность генов.В некоторых случаях разные гормон-рецепторныекомплексы конкурируют между собой за участкисвязывания с ДНК. При увеличении концентрацииактивирующего гормон-рецепторного комплексаможет быть вытеснен другой гормон-рецепторныйкомплекс, репрессирующий активность гена.ïêéåÄíàçВ клетках эукариот ДНК связана с белками значительно теснее, чем у бактерий.
Такой комплексбелков с ДНК называют хроматином. ДНК в неделящемся ядре организована в нуклеосомы (рис. 4).Нуклеосома содержит 8 молекул ядерных белковгистонов, образующих глобулы, на которые навитаДНК. Между нуклеосомами находится участокДНК (“линкер”), который может быть свободнымот белков или связан с особым гистоном, определяющим более плотную упаковку хроматина. Передделением клетки такая нуклеосомная структурасильно уплотняется, делается более компактнойблагодаря сворачиванию в спираль. В конечномсчете образуется видимая в микроскоп в митозехромосома, содержащая плотно упакованную вспираль ДНК.В неделящемся ядре, где активно работает рядгенов, нуклеосомы расположены достаточно строго28в определенных точках в промоторной области.Присутствие нуклеосом вместо факторов транскрипции в области промотора обычно подавляетактивность генов, препятствуя присоединениюфакторов транскрипции.
Белки нуклеосом – гистоны конкурируют с факторами транскрипции за участки свободной от белков ДНК. Такие участкимогут образовываться в клетке сразу после репликации (воспроизведения двойной спирали) ДНК.Если гистоны успеют образовать нуклеосомныеструктуры в условиях, когда концентрация факторов транскрипции недостаточна, то ген оказывается неактивным (репрессированным).
Наоборот,при достаточной концентрации факторов они успешно конкурируют с гистонами и в области промотора образуют специфичную ненуклеосомнуюструктуру, прилегая к РНК-полимеразе. В этом случае ген будет активно работать. В отдельных случаях, напротив, нуклеосомная организация, обеспечивает особую пространственную трехмернуюструктуру хроматина, необходимую для транскрипции гена.В клетке могут работать механизмы, обеспечивающие при необходимости активное разрушениенуклеосомной структуры и активацию гена. Этотпроцесс “сдирания” гистонов нуклеосом с ДНКтребует энергетических затрат (расхода аденозинтрифосфорной кислоты) и проходит достаточно эффективно. В результате участки, занятые нуклеосомами, связываются с факторами транскрипции,обеспечивая активность гена. Образуется структура“активного хроматина”, представленная на рис.
4.äÄäàå éÅêÄáéå ÇçÖòçàÖ îÄäíéêõëàÉçÄãàáàêìûí é çÖéÅïéÑàåéëíàÄäíàÇàêéÇÄíú êÄÅéíì ÉÖçÄ?Стероидные гормоны, легко проникающие вклетку через липидную мембрану, регулируют активность генов. Каким же образом осуществляетсявлияние на работу генов ряда внешних факторов, непроникающих в клетку? Такими факторами могутбыть полипептидные гормоны (например, инсулини др.) и многочисленные белковые факторы роста,управляющие делением клеток.
На поверхностиклетки имеется ряд белковых молекул-рецепторов,пронизывающих мембрану. Эти рецепторы взаимодействуют с белками, находящимися вне клетки.В результате такого взаимодействия активируютсяпримембранные ферменты-протеинкиназы, осуществляющие фосфорилирование ряда другихбелков – А, Б и т. д. (рис. 5). Уже отмечалась функциональная роль фосфорных остатков при фосфорилировании субъединицы РНК-полимеразы.Фосфорилирование белка А превращает его в протеинкиназу, осуществляющую в свою очередь фосфорилирование белка Б и превращение его опять вактивную протеинкиназу, в свою очередь специфично фосфорилирующую ряд других белков.Возникает каскад реакций фосфорилирования.В результате фосфорилируются факторы транскрипции, образующие семейство J, содержащееëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹1, 1996Комплекс транскрипционныхфакторов и РНК-полимеразыЛинкерФакторыПолимеразаФФНуклеосомаРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
