Re: как реализуется программа ДНК
В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных
последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают
непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные
последовательности могут находиться как в непосредственной близости от
открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности
РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы,
англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар
оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами и супрессорами (иногда
классифицируемые как trans-регуляторные элементы, англ. trans-regulatory
elements). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим
участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в
себя и регуляторные последовательности.
Промотор -- последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой
как стартовая площадка для начала специфической, или осмысленной,
транскрипции. У прокариот промотор включает ряд мотивов, важных для
узнавания его РНК-полимеразой, в частности так называемые
последовательности -10 и -35. Промотор асимметричен, что позволяет
РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает то,
какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК. Промоторный
участок в пределах оперона может частично перекрываться или вовсе не
перекрываться с операторным участком цистрона (гена).
РНК-полимераза -- фермент, осуществляющий синтез молекул РНК. В узком смысле,
РНК-полимеразой обычно назвают ДНК-зависимые РНК-полимеразы, осуществляющие
синтез молекул РНК на матрице ДНК, то есть осуществляющие транскрипцию.
Ферменты класса РНК-полимераз очень важны для функционирования клетки,
поэтому они имеются во всех организмах и во многих вирусах. Химически
РНК-полимеразы являются нуклеотидил-трансферазами, полимеризующими
рибонуклеотиды на 3'-конце цепи РНК.
Управление транскрипцией
Управление процессом транскрипции генов позволяет контролировать экспрессию
генов и таким образом позволяет клетке адаптироваться к изменяющимся
условиям внешней среды, поддерживать метаболические процессы на должном
уровне, а также выполнять специфические функции, необходимые для
существования организма. Неудивительно, что действие РНК-полимеразы очень
сложно и зависит от множества факторов (так, у Escherichia coli
идентифицировано более 100 факторов, тем или иным способом влияющих на
РНК-полимеразу[4]).
РНК-полимераза начинает транскрипцию с особых участков ДНК, называемых
промоторами и производит цепочку РНК, комплементарную соответствующей части
нити ДНК.
Эукариотические ДНК-полимеразы
Эукариоты содержат по меньшей мере пятнадцать видов ДНК-полимераз[1]:
a.. ДНК-полимераза ? выступает сначала в роли праймазы, синтезируя праймер
ДНК, а затем как нормальная полимераза, присоединяя к этому праймеру
нкулеотиды. После того, как длина цепочки достигнет около 20 нуклеотидов[2],
к транскрипции приступают полимеразы ? и ?;
b.. ДНК-полимераза ? задействована в восстановлении ДНК;
c.. Pol ?, осуществляющая репликацию митохондриальной ДНК;
d.. ДНК-полимераза ? -- основная полимераза эукариот. Она
высокопроизводительна, а также обладает 3'-5'-экзонуклеазным действием;
e.. ДНК-полимераза ?, иногда замещающая ДНК-полимеразу ? во время синтеза
3'-5'-моноспирали. Основное назначение этой полимеразы неясно;
f.. ДНК-полимеразы ?, ?, ?, и Rev1 из семейства Y, а также ? из семейства
B. Эти полимеразы задействованы в пропуске поврежденных участков ДНК[3].
g.. Существуют также другие эукариотические ДНК-полимеразы, которые пока
недостаточно изучены: ?, ?, ?, ? и ?.
Обнаружены и другие эукариотические полимеразы.
Ни одна эукариотическая полимераза не может отщеплять праймеры, то есть не
обладает 5'-3'-экзонуклеазным действием. Эту функцию выполняют другие
ферменты. Только полимеразы, осуществляющие элонгацию (?, ? и ?) обладают
3'-5'-экзонуклеазными свойствами.
Факторы транскрипции (транскрипционные факторы) -- белки?, контролирующие
перенос информации с молекулы ДНК в структуру мРНК (транскрипцию) путем
связывания со специфичными участками ДНК.[1][2] Транскрипционные факторы
выполняют свою функцию самостоятельно либо в комплексе с другими белками.
Они обеспечивают снижение (репрессоры) или повышение (активаторы) константы
связывания РНК-полимеразы с регуляторными последовательностями регулируемого
гена.[3][4][5]
Определяющая черта факторов транскрипции -- наличие в их составе одного или
более ДНК-связывающих доменов, которые взаимодействуют с характерными
участками ДНК, расположенными в регуляторных областях генов. Другие белки,
играющие ключевую роль в регуляции экспрессии генов, такие, как
коактиваторы, гистон-ацетилазы, киназы, метилазы, не имеют ДНК-связывающих
доменов, и, следовательно, не могут быть причислены к транскрипционным
факторам.[6][7][8]
В геноме человека обнаружено более 2600 белков, имеющих ДНК-связывающий
домен, и большинство из них предположительно являются факторами
транскрипции.[10] Следовательно, около 10 % всех генов в геноме кодируют
транскрипционные факторы. Таким образом, они являются самым большим
семейством белков человека. Более того, многие гены регулируются
корпоративным взаимодействием большого числа различных факторов
транскрипции, что позволяет обеспечить каждому из генов уникальный способ
регуляции в процессе развития организма.[8]
Функции
Факторы транскрипции -- одна из групп белков, обеспечивающих прочтение и
интерпретацию генетической информации. Они связывают ДНК и способствуют
инициации программы повышения или понижения транскрипции гена. Таким
образом, они жизненно необходимы для нормального функционирования организма
на всех уровнях. Ниже перечислены важнейшие из процессов, в которые
вовлечены факторы транскрипции.
Регуляция базальной экспрессии генов
Фоновая транскрипционная активность обеспечивается набором ТФ, общим для
всех генов. Важный класс эукариотических факторов транскрипции -- GTFs
(general transcription factors).[11][12] Многие из его представителей не
связывают ДНК непосредственно, а входят в состав комплекса инициации
транскрипции (преинициирующего комплекса), который напрямую взаимодействует
с РНК-полимеразой. Наиболее распространенными GTF являются TFIIA, TFIIB,
TFIID (связываются с т. н. ТАТА-боксом (элементом промотора)), TFIIE, TFIIF,
and TFIIH.[13]
Помимо ТФ, необходимых для экспрессии всех генов, существуют также
специфичные факторы транскрипции, обеспечивающие включение/выключение
определенных генов в нужный момент.
Регуляция онтогенеза
Многие ТФ многоклеточных организмов вовлечены в обеспечение их развития.[14]
Действуя в соответствии с генетической программой и/или в ответ на внешние
воздействия, они инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов,
что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточную
дифференциацию, морфогенез, органогенез и т. д. Например, семейство
гомеобоксных ТФ критично для формирования правильной морфологии тела у
организмов от дрозофилы до человека.[15][16] Мутации генов этих белков
(гомеозисные мутации) у дрозофил приводят к серьезным нарушениям в
дифференцировке сегментов тела данных насекомых (например, развитие ног
вместо усиков).
Другой пример данной группы ТФ -- ген полоопределяющего региона Y (SRY,
Sex-determining Region Y), который играет важную роль в детерминации гендера
человека.[17]
[править] Ответ на внеклеточные сигналы
Согласованная регуляция взаимодействия клеток многоклеточного организма
осуществляется путем высвобождения специальных молекул (гормонов, цитокинов
и т. п.), которые вызывают сигнальный каскад в клетках-мишенях. В случае,
если сигнал вызывает изменение уровня экспрессии определенных генов,
конечным звеном каскада часто оказываются ТФ.[18] Эстрогеновый сигнальный
путь -- пример короткого каскада, включающего транскрипционный фактор
рецептора эстрогена: эстроген секретируется тканями плаценты и яичника,
преодолевает плазматическую мембрану реципиентных клеток, и связывается со
своим рецептором в цитоплазме. Рецептор эстрогена проникает в ядро и
связывает специфичный участок ДНК, изменяя регуляции транскрипции
соответствующего гена.[19]
[править] Ответ на изменение окружающей среды
ТФ -- не единственные конечные звенья сигнальных каскадов, возникающих в
ответ различные внешние стимулы, но они тоже могут быть эффекторами в
сигнальных каскадах, индуцируемых воздействием окружающей среды. Например,
фактор теплового шока (HSF) активирует гены, ответственные за выживание при
высоких температурах (такие, как шапероны)[20], гипоксия-индуцируемый фактор
(HIF) -- при снижении концентрации кислорода[21]; белок SREBP (sterol
regulatory element binding protein) помогает поддерживать необходимое
содержание липидов в клетках.[22]
[править] Контроль клеточного цикла
Многие ТФ, особенно онкогены и онкосупрессоры, участвуют в регуляции
клеточного цикла. Они определяют переход от одной фазы клеточного цикла к
другой, частоту делений и интенсивность роста. Один из наиболее известных
подобных ТФ -- онкоген Myc, играющий важную роль в росте клеток и направлении
их в апоптоз.
[править] Регуляция
Все общебиологические процессы имеют многоуровневую регуляцию и контроль.
Это верно и для ТФ -- ТФ не только обеспечивают регуляцию уровня накопления
белков и РНК в клетке, но и регулируют активность собственных генов (часто с
помощью других ТФ). Ниже кратко описаны основные способы регуляции
активности ТФ
Общие для всех белков
Уровень накопления ТФ в клетке регулируется по той же схеме, что и у других
белков за счет контроля транскрипции, деградации мРНК, трансляции,
постпроцессинга белка, его внутриклеточной локализации и деградации.
Возможна саморегуляция по принципу отрицательной обратной связи -- ТФ
репрессирует активность кодирующего его гена.
[править] Внутриядерная локализация
У эукариотических организмов процессы транскрипции и трансляции
пространственно разделены -- они происходят в ядре и цитоплазме
соответственно. После синтеза ТФ должны проникнуть в ядро, преодолев двойную
мембрану. Многие белки, функционирующие в ядре, имеют сигнал ядерной
локализации -- специфичной участок полипептидной цепи, адресующий белок в
ядро. Для многих ТФ транслокация является ключевым фактором в регуляции их
активности.[23] Важные классы ТФ, такие как некоторые ядерные рецепторы,
должны сперва связать лиганд в цитоплазме и только потом транспортироваться
в ядро.[23]
[править] Активация
ТФ могут быть активированы/деактивированны путем воздействия на их
сигнал-чувствительный домен различным образом:
a.. связывание лиганда -- необходимой для функционирования субстанции, не
входящий в состав полипептида (например, ионов Zn2+)
b.. фосфорилирование[24][25] -- многие ТФ должны быть фосфорилированы для
получения возможности связывать ДНК.
c.. взаимодействие с другими ТФ и/или корегуляторными белками.
d.. Доступность сайта связывания ДНК
У эукариот гены, не транскрибируемые постоянно, часто находятся в
гетерохроматине (участках ДНК, плотно упакованных за счет связывания
гистонов и организованных в компактные хроматиновые фибриллы). ДНК в составе
гетерохроматина недоступна для многих ТФ. Для того, чтобы ТФ могли связаться
с ДНК, гетерохроматин должен быть трансформирован в эухроматин, обычно путем
модификаций гистонов. Сайт связывания ТФ на ДНК может быть недоступным и в
случае, если он связан другим ТФ. Пары ТФ могут играть антагонистическую
роль (активатор -- репрессор) при регуляции активности одного гена.
[править] Наличие других кофакторов/транскрипционных факторов
Большинство ТФ не работают в одиночку. Часто для активации транскрипции
гена с его регуляторными элементами должно связаться большое количество ТФ.
Связывании ТФ вызывает привлечение промежуточных белков, таких как
кофакторы, что приводит к сборке преинициационного комплекса и посадке на
промотор РНК-полимеразы.
e.. Сайты связывания ТФ
Участки ДНК, которые взаимодействуют с факторами транскрипции, называются
сайтами связывания ТФ. Взаимодействие осуществляется за счет
электростатических сил, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. За счет
корпоративного, стерически детерминированного действия данных сил, которое
определяется пространственной структурой белковой молекулы, ТФ связываться
только с определенными участками ДНК. Не все нуклеотидные основания в ДНК,
входящие в сайт связывания ТФ, имеют одинаковую значимость при
взаимодействии с белком. Вследствие этого, ТФ обычно связывают не участок со
строго определенной первичной структурой, а группу структур с близким
сходством, каждую -- с разной степенью сродства. Например, хотя консенсусной
последовательностью сайта связывания ТАТА-связывающих белков является
ТАТАААА, они могут взаимодействовать также с ТАТАТАТ и ТАТАТАА.
Вследствие того, что ТФ взаимодействуют с короткими участками ДНК
гетерогенной структуры, потенциальные сайты связывания ТФ могут возникать
случайно в достаточно протяженной молекуле ДНК. Маловероятно, однако, что ТФ
взаимодействуют со всеми подходящими элементами в геноме.
Различные ограничения, такие как доступность сайтов и наличие кофакторов,
могут способствовать направлению ТФ в нужные участки ДНК. Таким образом,
затруднительно на основании последовательности генома достоверно предсказать
реальное место посадки ТФ на ДНК in vivo. Дополнительная специфичность ТФ
может опосредоваться наличием нескольких ДНК связывающих доменов в составе
одного белка, которые взаимодействуют с двумя или более смежными
последовательностями одновременно.
f..
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%B8%D0%BF%D1%86%D0%B8%D0%B8
Сплайсинг (от англ. splice -- сращивать или склеивать концы чего-либо) --
процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул
РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в <<зрелой>> молекуле, в
ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании
информационной РНК (мРНК) у эукариот, при этом путём биохимических реакций с
участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок
(интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную
последовательность участки -- экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК
превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки
клетки.
Варианты сплайсинга
В природе обнаружены несколько вариантов сплайсинга. Какой из них будет
проходить в каждом случае, зависит от структуры интрона и катализатора,
необходимого для реакции.
Сплайсосомные интроны
Сплайсосомные интроны часто находятся в генах, кодирующих белки. Для
сплайсинга необходимо наличие специальных 3'- и 5' -- последовательностей.
Важная роль в защите 5'-конца мРНК от деградации экзонуклеазами принадлежит
5'-кэпу. Сплайсинг катализируется сплайсосомой -- большим комплексом,
состоящим из РНК и белков и включающим пять малых ядерных
рибонуклеопротеидов (мяРНП). РНК-составляющая мяРНП взаимодействует с
интроном и, возможно, участвует в катализе. Обнаружены два типа сплайсосом
(главная и дополнительная), отличающиеся по входящим в их состав мяРНП.
Главная сплайсосома принимает участие в сплайсинге интронов, содержащих
гуанин и урацил (GU) в 5 сайте и аденин и урацил (AU) в 3 сплайсинг-сайте.
Она состоит из мяРНП: U1, U2, U4, U5 и U6.
