Еукариоты имеют более сложную организацию, чем прокариоты, Например, в организме человека насчитывается более 200 разных типов клеток и 100 тысяч белков. Контроль экспрессии генов у эукариот включает не только механизмы, существующие у эукариот, но и механизмы, присущие только эукариотам.

Регуляция экспрессии генома у эукариот осуществляется на нескольких уровнях:

- на уровне структурной организации генома (претранскрипционный контроль)

- на уровне транскрипции. Существует транскрипционная и посттранскрипционная регуляция. Регулироваться может сам процесс транскрипции, дозревание мРНК (процессинг), транспорт и деградация мРНК.

- на уровне трансляции – через фосфорилирование-/дефосфорилирование белковых факторов трансляции.

- на пострансляционном уровне – через регуляцию процессов формирования белковой молекулы, ее транспорта, активности и деградации.

Претранскрипционный контроль экспрессии генов у эукариот.

Геном эукариот содержит много нуклеотидов, но лишь 2-5% ДНК используется для кодировки белков. Наличие у ДНК не только кодирующих, но и регуляторных (сигнальных) участков, значительного количества сайтов, которые не транскрибируются, составляет особенность генома эукариот. Хотя все соматические клетки содержат идентичный геном, но в разных типах клеток экспрессируются различные гены, а это свидетельствует о существовании механизмов, которые обеспечивают стабильную экспрессию в течение жизни клетки одних генов и торможения экспрессии других.

А. Структурна та химическая модификация генома

а) роль упаковки хроматина. В ядрах дифференцированных клеток хроматин так упакован, что только небольшое число генов (до 1%) доступно для

транскрипции. В участках гетерохроматина ДНК упакована очень плотно и недоступна для транскрипции, тогда как в участках эухроматина, имеющего рыхлую упаковку, доступна для РНК-полимеразы. В разных типах клеток в область эухроматина попадают различные гены, а это означает, что в разных тканях транскрибируются различные гены.

б) химическая модификация белков хроматина. Гистоновые и негистоновые белки, которые образуют прочные комплексы с ДНК, препятствуют использованию ДНК в процессах репликации или транскрипции. Ковалентная модификация (ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, гликозилирование и АДФ-рибозилирование) изменяет заряд и другие свойства ядерных белков и может уменьшить или увеличить их взаимодействие с ДНК. Например, присоединение остатков уксусной кислоты к аминогруппам лизина (ацетилирование) в гистонах уменьшает положительный заряд этих белков, благодаря чему гистоны отсоединяются от ДНК, а на освобожденных от гистонов участках может происходить считывание информации. Поэтому ацетилирование пистонов усиливает скорость транскрипции.

в) метилирование ДНК. Метилирование - это вариант эпигенетической регуляции активности генов, который не ведет к изменению нуклеотидной после- довательности ДНК. ДНК-метилтрансферазы переносят метильную группу от S- аденозилметионина на цитозин с образованием 5-метилцитозина. Метилируется около 5% остатков

цитозина ДНК в

области СрG-остров- ков (последователь- ностей от 500 до 2000 нуклеотидов с высо- ким содержанием гуанина и цитозина). Эти островки лока- лизуются в регулятор- ных элементах гена, промоторах. Метили- рование приводит к временной инакти- вации гена и блоки- ровки его транскрип- ции. Однако конечный биологический

результат метилирования определяется функцией гена. Если метилируется ген белка-активатора, то это ведет к торможению определенной функции клетки, а если ген белка-репрессора, то это усиливает определенную функцию. Например, метилирование гена-супрессора опухолевого роста (белка р53) способствует развитию опухолей. Метилирование - это обратимый процесс и вместе с метилированием существует процесс деметилирования. Однако, метилирование некоторых генов является необратимым, в частности генов, которые функционируют во время эмбриогенеза, а затем становятся ненужными.

Б. Изменение количества генов.

а) Амплификация - это процесс увеличения копий соответствующих генов.

Молекулярной основой амплификации является многократная (взрывообразная) репликация одного гена, или его фрагмента. Амплифицированные участки могут располагаться в хромосоме друг за другом (тандемный) или образовывать внехромосомные фрагменты ДНК (двойные минихромосомы). Способны к амплификации гены металотионеина (белка, связывающего ионы тяжелых металлов), дигидрофолатредуктази, многих других белков. При поступлении в организм ионов тяжелых металлов или метотрексата (ингибитора дигидрофолдатредуктазы происходит взрывообразное усиление синтеза этих белков. Явление амплификации лежит в основе полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для проведения ПЦР используют РНК-праймеры (последовательности специфичны тем участкам ДНК, которые исследуются), а затем ДНК-полимераза реплицирует только те участки ДНК, которые отвечают праймеру. С применением ПЦР проводят диагностику вирусных и бактериальных инфекций, поскольку ПЦР дает возможность выявить ДНК и РНК возбудителей в организме хозяина. Метод ПЦР является основным в выявлении мутаций и генетического полиморфизма, установлении отцовства, этнической принадлежности и т.д.

б) потеря генетического материала. Это редкий способ регуляции и, например, проявляется потерей ядра при дозревании эритроцитов или потери части генетического материала при дозревании лимфоцитов.

В.Перестройка генов (генетические рекомбинации или реаранжирование) Перестройка генов – это обмен фрагментами ДНК между различными генами

или объединение генов из различных биологических источников. Механизм

рекомбинаций включает разрезание реципиентной ДНК и включение инородных фрагментов (транспозонов) из другой хромосомы или другого локуса той же хромосомы. Способность транспозонов встраиваться в молекулы других ДНК определяется наличием на их концах особенных фрагментов – инсерционных последовательностей.

К рекомбинациям, присущим прокариотам, принадлежат: а) трансформация

– включение в геном реципиентного микроорганизма донорной ДНК погибшей клетки того же вида; б) трансдукция – перенос бактериофагом фрагмента ДНК одного микроорганизма в геном другого реципиентного организма; в) конъюгация

– процесс полового размножения у бактерий, который заключается в перенесении фрагмента ДНК из донорной в реципиентную клетку.

У эукариот генетические рекомбинации обеспечивается механизмом кроссинговера (обмен идентичными участками между гомологичними хромосомами во время мейоза), который является необходимым элементом формирования половых клеток. Именно рекомбинация родительских хромосом при образовании гамет - главный фактор комбинативной изменчивости у людей.

Процессы перемещения отдельных генов, или групп генов в другое место генома имеют место в В-лимфоцитах, гены которых кодируют образование иммуноглобулинов. Имеется несколько типов иммуноглобулинов (IgG, IgA, IgM, IgD, IgE), которые отличаются по типу тяжелых и легких цепей. В каждой белковой цепи иммуноглобулина существуют константные и вариабельные участки (соответственно, с постоянным или переменным составом аминокислот). Легкие цепи экспрессируються генами 3-х семейств, а тяжелые цепи – 4-х семейств. Каждое семейство насчитывает десятки и сотни генов. Благодаря рекомбинации генов, принадлежащим семействам генов легких и тяжелых цепей, становится возможным образование огромного количества (до

108) вариантов генов и, соответственно, столько же вариантов иммуноглобулинов с разной антигенной специфичностью.

Транспозон – это последовательность ДНК, способная перемещаться в середине генома. Транспозоны принадлежат к так называемым мобильным элементам генома (к которым относят плазмиды и инсерционные элементы). Различают ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. Перенос и вставка ДНК- транспозонов катализируется ферментом транспозазой (код фермента присутствует в самом транспозоне). Ретротранспозоны перемещаются по геному путем обратной транскрипции с их РНК (как ретровирусы).