Экспрессия генов у эукариот регулируется многослойной системой контролей, обеспечивающей точную пространственную и временную активацию определённых генов. Основные уровни регуляции включают транскрипционный контроль, посттранскрипционные модификации РНК, контроль трансляции и посттрансляционные модификации белков.
Транскрипционный уровень является ключевым и определяет, какие гены будут экспрессированы в данный момент.
1.1. Промоторы и инициаторы транскрипции Промоторы — это специфические последовательности ДНК, расположенные вблизи начала гена, которые определяют точку старта транскрипции. У эукариот промоторы содержат характерные элементы: TATA-бокс, CAAT-бокс и GC-бокс. TATA-бокс располагается примерно за 25–30 пар нуклеотидов от сайта инициации и обеспечивает связывание комплекса транскрипционных факторов.
1.2. Элонгация и регуляторные белки Регуляция транскрипции осуществляется транскрипционными факторами, которые могут быть активаторами или репрессорами. Активаторы взаимодействуют с энхансерами — удалёнными последовательностями ДНК, увеличивающими скорость транскрипции. Репрессоры могут связываться с сайтом-силенсером, блокируя доступ РНК-полимеразы. Пространственное взаимодействие ДНК (например, петли ДНК) позволяет энхансерам и промоторам находиться в непосредственной близости, несмотря на большое расстояние по линейной цепи.
1.3. Хроматиновая структура Хроматин играет критическую роль в доступности генов для транскрипции. Модификации гистонов (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование) изменяют степень упаковки ДНК. Ацетилирование гистонов H3 и H4 способствует открытию хроматина и активной транскрипции, тогда как метилирование определённых лизинов может как активировать, так и подавлять транскрипцию в зависимости от позиции и контекста.
После синтеза первичной РНК происходят многочисленные процессы её обработки, которые также регулируются.
2.1. Сплайсинг РНК У эукариот первичная транскриптная РНК (пре-мРНК) содержит интроны, которые вырезаются в процессе сплайсинга. Альтернативный сплайсинг позволяет из одного гена получать несколько различных белков, что значительно расширяет функциональное разнообразие протеомов.
2.2. 5’-капирование и 3’-полиаденилирование 5’-конец мРНК модифицируется кэп-структурой (7-метилгуанозин), защищающей РНК от деградации и способствующей инициации трансляции. 3’-конец подвергается полиаденилированию, что также повышает стабильность и регулирует транспорт мРНК из ядра.
2.3. РНК-интерференция и микроРНК Малые некодирующие РНК, такие как микроРНК (miRNA), способны связываться с мРНК и вызывать её деградацию или подавлять трансляцию. Этот механизм обеспечивает быстрый и избирательный контроль уровня белка без изменения транскрипции.
Контроль экспрессии на уровне трансляции позволяет адаптировать синтез белка к потребностям клетки.
3.1. Инициация трансляции Инициирующие факторы связывают 5’-кэп мРНК и малую субъединицу рибосомы, обеспечивая правильное считывание стартового кодона. Механизмы подавления включают связывание белков-регуляторов с 5’-UTR или структурными элементами мРНК, препятствующими связыванию рибосомы.
3.2. Регуляция через сигнализацию Киназы могут фосфорилировать факторы инициации трансляции, что приводит к глобальному замедлению синтеза белка в стрессовых условиях или при дефиците питательных веществ.
После синтеза белок может подвергаться различным химическим модификациям, определяющим его активность, локализацию и стабильность.
4.1. Фосфорилирование и ацетилирование Фосфорилирование белков киназами часто запускает сигнальные каскады, регулирующие метаболизм и деление клеток. Ацетилирование лизинов может модифицировать взаимодействие белка с ДНК и другими белками.
4.2. Убиквитинирование и протеасомная деградация Белки, помеченные убиквитином, направляются на деградацию в протеасомы, что позволяет быстро регулировать уровень специфических белков в клетке.
Эпигенетические механизмы обеспечивают наследуемую модификацию активности генов без изменения нуклеотидной последовательности.
5.1. Метилирование ДНК Метилирование цитозинов в CpG-диплетах способствует стабильной репрессии генов. Этот процесс участвует в дифференцировке клеток, X-инактивации и супрессии транскрипционно активных элементов.
5.2. Некодирующие РНК и хроматиновые ремоделирующие комплексы Некодирующие РНК, включая длинные некодирующие РНК (lncRNA), направляют модифицирующие комплексы к определённым участкам ДНК, регулируя упаковку хроматина и экспрессию генов.
Регуляция экспрессии генов у эукариот является интеграцией множества сигналов на уровне ДНК, РНК и белков. Скоординированная работа этих механизмов обеспечивает клетку точным инструментарием для адаптации к изменениям внешней среды и поддержания гомеостаза.