Регуляция экспрессии генов.

Контроль экспрессии генов осуществляется на следующих уровнях:

· на уровне транскрипции (контролируется время и характер транскрипции гена)

· на уровне процессинга первичного транскрипта

· при отборе зрелых мРНК для их транспорта в цитоплазму

· на уровне трансляции - отбор в цитоплазме мРНК для трансляции на рибосомах

· на уровне деградации - избирательная дестабилизация определенных типов мРНК в цитоплазме

· на уровне активности белка - селективная активация, инактивация или компартментация молекул белка после их синтеза.

Экспрессия генов как у прокариот, так и у эукариот регулируется при помощи целого ряда ме­ханизмов. Некоторые из механизмов такого рода, действующие в бактериальных системах, изучены довольно хорошо, и два из них будут рассмот­рены ниже, но о том, как действует реrуляторные механизмы в клетках эукариот, известно немного.

Концепция оперона в регуляции экспрессии генов у прокариот. Ген обычно неактивен, но когда необходим определенный белок, конкретный ген «активируется», что обусловливает производство этого белка. Таким образом, клетки имеют механизм, контролирующий количество любого белка в определенное время. Синтез белков регулируется генетическим аппаратом, а также факторами внутренней и внешней среды.

Структура оперона прокариот. В 1961 г. два французских биолога Ф. Джакоб и Ж. Моно предложили механизм регуляции генов, назван­ный гипотезой оперона.

Оперон — это последовательность специальных, функциональных сегментов ДНК, а также структурных генов, которые кодируют и ре­гулируют синтез определенной группы белков одной метаболической цепи, например, ферментов гликолиза. Оперон (регулируемая единица транскрипции) состоит из следующих структурных частей (специальных пocлeдoвaтeльноcтей нуклeoтидoв) (риc.22):

Промотор — участок ДНК, к которому присоединяется РНК-
полимераза и начинается транскрипция.

Оператор — участок промотора, связывающий белок-регулятор.

Структурные гены (цистроны) — участки ДНК, кодирующие
мРНК конкретных белков.

Терминаторный участок ДНК несет сигнал об остановке транскрипции.

Рис.22. Схема структуры оперона (А): негативный контроль (Б) и позитивный контроль (В) экспрессии генов.

Основные механизмы регуляции функционирования оперона прокариот. Гены-регуляторы под действием клеточных факторов обусловливают синтез регуляторных белков. Такие белки, соединяясь с определенными нуклеотидными последовательностями ДНК (оператором), могут способствовать или препятствовать присоединению РНК-полимеразы к промотору. В случае если белок регулятор не дает возможность ферменту присоединяться к промотору, он называется репрессором (рис. 22, Б). В этом случае осуществляется негативный контроль транскрипции со стороны гена-ре­гулятора. В случае если белок-регулятор способствует присоединению РНК-полимеразы к промотору и началу процесса транскрипции, его называют белком-активатором, и осуществляется позитивный контроль со стороны гена-регулятора (рис. 22, В). В процессах регуляции экспрессии генов принимают участие так­же вещества небелковой природы {эффекторы), взаимодействующие с белками-регуляторами и изменяющими их способность связываться с опероном. Например, конечный продукт метаболической цепи. В за­висимости от результатов такого воздействия среди эффекторов раз­личают индукторы, способствующие транскрипции, и корепрессоры, препятствующие ей.

Функционирование лактозного оперона Е. coli. В своих эксперементах Джакоб и Моно обнаружили, что добавление лактозы к культуре E.coli индуцирует образование сразу трех белков-ферментов: галактозидазы, пермеазы и трансацетилазы, необходимых клетке для расщепления лактозы до глюкозы и галактозы. Гены, кодиру­ющие эти ферменты, соседствуют друг с другом в хромосоме. Их назвали структурными генами, или цистронами. Они одновременно транскрибируются РНК-полимеразой в длинную одиночную мРНК, которая имеет кодоны для всех трех ферментов. мРНК, трансрибиру­емая из нескольких генов, называется полицистронной. Способность к транскрипции этих цистронов контролируется участком молекулы ДНК — оператором. Операторный локус — это определенный участок оперона, имеющий определенную последовательность нуклеотидов, длиной 27 пар оснований. Этот сегмент ДНК располагается в области промотора, к которому перед началом транскрипции присоединяется РНК-полимераза. Промотор расположен перед началом первого струк­турного гена β-галактозидазы. Цистрон «синтезирует» мРНК, когда оператор включен и прекращает синтез, когда он «выключен». Оператор включается или выключается белком, называемым репрессором. Его синтез контролируется регуляторным геном. Репрессор либо связыва­ется с оператором, подавляя его активность, либо не связывается с ним, позволяя проявление активности структурных генов. Таким образом, репрессор является негативным регулятором.

На рисунке 23 представлена схема функционирования лактозного оперона. Репрессия (I). При отсутствии индуктора (лактозы), репрессор связывается с оператором и блокирует транскрипцию, в этом случае ферменты не образуются. Индукция (II). Лактоза индуцирует транс­крипцию генов, т.к. инактивирует репрессор. К промотору присоеди­няется РНК-полимераза и начинается транскрипция генов А, В и С. В результате образуются необходимые в данных условиях ферменты. Синтез ферментов может не только индуцироваться, но и подавляться.

Например, в результате какой-то цепи реакций в клетке образуется ко­нечный продукт Д в большем, чем это необходимо клетке, количестве. Это может нарушить нормальный ход реакций обмена, поэтому в клетке возникает необходимость остановить данный процесс. Тогда вещество Д вступает в реакцию с соответствующим белком-репрессором и пере­водит его в активное состояние. После этого происходит присоединение репрессора к оператору, тем самым выключается вся система оперона и синтез ферментов прекращается. В данном случае, торможение син­теза производится конечным продуктом, образующимся в результате реакции. Такой механизм действия называется регуляцией по принципу обратной связи.

Рис.23. Схема функционирования лактозного оперона Е. соli

Описанный механизм регуляции имеет большое приспособительное значение. Например, согласно имеющейся генетической программе, кишечная палочка может синтезировать несколько десятков ферментов, расщепляющих различные вещества, так как состав среды, окружающей бактерии, очень изменчив. В этих условиях постоянное образование всего набора ферментов было бы неэкономичным для клетки, так как нецелесообразно продуцировать одновременно 60-80 ферментов, из которых в данных условиях среды могут понадобиться лишь 6-8. Поэтому синтез ненужных в этих условиях ферментов блокирован, а клетки образуют лишь несколько необходимых белков.

Еще одной разновидностью негативной регуляции является так называемая катаболитная репрессия. Репрессия происходит тогда, когда репрессор связывается с оператором не иначе, как в комплек­се с низкомолекулярным кофактором (корепрессором). Таким корепрессором часто бывает конеч­ный продукт белкового синтеза, кодируемый опероном. Тогда, если концентрация этого продукта становится слишком высокой, он связывается с репрессором и дальнейший его синтез прекращает­ся. Примером такой системы может служить триптофановый оперон.

Триптофановый оперон состоит из оператора и пяти структурных генов (А-Е). Последние кодиру­ют ферменты, участвующие в биосинтезе трипто­фана, одной из незаменимых аминокислот. По ме­ре увеличения концентрации триптофана наступает момент, когда дальнейший его синтез становится нежелательным и транскрипция прекращается. «Вы­ключение» транскрипции происходит следующим образом. Триптофан связывается с димерным реп­рессором (trр-репрессором), который кодируется от­дельным, не входящим в оперон регуляторным геном. При этом происходит конформационное из­менение, и открывается участок, способный связы­ваться с операторной последовательностью в ДНК. Весь комплекс связывается далее с ДНК и бло­кирует место связывания с РНК-полимеразой (про­мотор). Это пример регуляции с помощью репрес­сии.

Вариация длины транскрипта - еще один меха­низм, посредством которого может осуществляться регуляция экспресии оперонов в бактериях. Так, в trр-опероне помимо репрессии используется и дру­гая система регуляции. Она связана с наличием в ДНК участка, расположенного непосредственно пе­ред первым структурным геном {trрЕ) и называ­емого аттенуатором. Аттенуатор представляет собой нуклеотидную последователь­ность, содержащую команду, по которой проис­ходит преждевременная терминация транскрипции. В случае trр-оперона при высокой концентрации триптофана 90% всех транскриптов терминируется после транскрипции всего лишь 140 нуклеотидов и до начала транскрипции структурных trр-генов. Позитивная регуляция - еще один способ регуля­ции экспрессии гена (на рисунке не показан). Он отличается от негативной регуляции тем, что транс­крипция «включается», а не «выключается» после присоединения регуляторного белка к оперону. Корепрессор, или скорее коактиватор, присоединя­ется к белку-активатору; далее весь комплекс свя­зывается с соответствующим участком на ДНК, и лишь после этого может происходить транскрип­ция. Примером регуляции такого типа может слу­жить процесс, происходящий при участии катаболитного белка-активатора, коактиватором которого является сАМР (см. дополнительную литературу). В отсутствие (или при низкой концентрации) сАМР, что имеет место при размножении бакте­рий в присутствии глюкозы, блокируется, таким образом, транскрипция некоторых оперонов, вклю­чая lαс-оперон. Такое явление называется катаболитной репрессией.

Контроль экспрессии генов у эукариот. Эукариотические организмы в зна­чительной части представлены многоклеточными формами с высокой специализацией клеток. Все клетки многоклеточного орга­низма возникают из зиготы путем митоза и получают полноценный набор генетической информа­ции. Однако они отличаются друг от друга по морфологии, биохимическим и функциональным свойствам. Эти различия основаны на функционировании в разных клетках неодинаковых частей генома. Большая часть генома человека находится в клетках организма в неактивном, репрессированном, состоянии, и только 7-10 % активно транскрибируются. Функциональная активность генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее, жизненного цикла и стадии индивидуального развития организма. Из активно функционирующих генов в большинстве клеток основная масса генов обеспечивает синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и т.д.), тРНК и рРНК. Транскрибирование этих генов происходит путем присоединения РНК-полимеразы к промотору и называются они конститутивными генами. Существует еще одна группа генов, функционирование которых, а также скорость и продолжительность их транскрипции зависит от различных регулирующих факторов, стимулирующих или запрещающих соединение РНК-поли­меразы с промотором гена. Называют эти гены - регулируемые. Хотя во всех клетках человека содержится совершенно одинаковая ДНК, в разных тканях происходит экспрессия далеко не одинаковых наборов генов. Та­ким образом, должны существовать какие-то меха­низмы, при участии которых одни гены работают (т.е. экспрессируются), а другие нет. Для этой цели используется целый ряд механизмов: регуля­ция на уровне транскрипции и на уровне трансля­ции, посттранскрипционная и посттрансляционная регуляция и регуляция с помощью гормонов.

Регуляция на уровне транскрипции осуществля­ется при синтезе мРНК. Средние концентрации ин­дивидуальных мРНК, транскрибируемых с разных генов, сильно отличаются друг от друга. Это обусловлено тем, например, что мРНК-копии од­них генов разрушаются быстрее других, либо тем, что их синтез происходит медленнее. Регуляция может осуществляться при помощи белков, спо­собных связываться с ДНК, и даже при помощи коротких фрагментов РНК, которые спариваются с ДНК, предположительно блокируя места при­крепления РНК-полимеразы. Таким образом, ско­рость транскрипции может снижаться или, наобо­рот, повышаться.

Кроме более или менее постоянного статуса экспрессии, активность многих генов может быстро меняться под действием специальных регу­ляторов. Например, интенсивность транскрипции матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) мо­жет временно увеличиваться или уменьшаться под влиянием белков, которые связываются с регуляторными зонами гена. Активность регуляторных белков, в свою очередь, контролируется рецептора­ми, локализованными или внутри клетки, или на ее поверхности. Разнообразные рецепторы распознают специфические молекулы, такие как стероидные гормоны, пептидные факторы роста и нейромедиаторы, и передают молекулярные сигналы внутрь клетки, что контролирует активность регуляторных белков, действующих на дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).

В транскрибируемой матрице ДНК выделяют две главные функциональные области — кодирующую и регуляторную. Матричная РНК транскрибируется с ДНК (кодирующей белок) с помощью фермен­та РНК-полимеразы II. Регуляторная область гена обычно находится перед началом кодирующей области. Регуляторные элементы ДНК располагаются рядом с кодирующей областью (примыкают к ней), они называются cis-регуляторными элементами. Напротив, факторы транскрипции регуляторных белков, связывающихся с субэлементами, являются trans-регуляторами по отношении к гену-мишени, поскольку кодирующие их гены находятся далеко (например, на другой хромосоме).

Регуляторная область структурного гена содержит участок, называемый промотором. Этот участок примыкает к точке начала транскрипции и в большинстве случаев содержит участок около 8 пар оснований, которые включают несколько адениновых (А) и тимидиновых (Т) нуклеотидов. Этот элемент, называе­мый ТАТА-блоком, окружен участками, богаты­ми гуанином (Г) и цитозином (Ц).

Белки – факторы транскрипции. ТАТА- блок и соседние элементы ДНК промото­ра указывают РНК-полимеразе точку, с которой должна начаться транскрипция мРНК. К ТАТА- блоку прикрепляется комплекс белков, называемых ТАТА-блок-связывающими белками. Полагают, что эти белки взаимодействуют непосредственно с РНК-полимеразой II, и их связывание направлено на область ДНК, прилежащую к точке начала транскрипции. Другие регуляторные элементы ДНК часто находятся рядом с ТАТА- блоком. К ним относятся СААТ-блок и G-C-богатые участки, которые, вероятно, способствуют начальному связыванию полимеразы. Другие регуляторные зоны ДНК называются энхансерами («усилительными»).

Энхансеры могут располагаться внутри нескольких сот оснований промотора, но обычно находятся далеко от него. Каждый отдельный сегмент энхансера имеет длину около 7-20 пар осно­ваний и служит местом прикрепления белков, ко­торые контролируют возможность транскрипции гена с помощью РНК-полимеразы II. Интересно, что энхансеры не специфичны ни к последователь­ности- мишени, ни к своей ориентации. Последовательности энхансера или промотора ДНК, к которым прикрепляются тканеспецифичные регуляторные молекулы, называются респонсивными элементами. Например, респонсивный элемент циклического аденозинмонофосфата (сАМР) состоит из последовательности ACGTCA; именно эту последовательность узнают молекулы сАМР (сАМР — элемент-связывающиеся белки), которые активируются путем фосфорилирования с помощью сАМР-зависимой протеинкиназы. Известны и другие респонсивные элемен­ты. Например, внутриклеточные рецепторы стероидных гормонов, гормон роста и другие белки свя­зываются с особыми последовательностями ДНК и контролируют транскрипцию генов, лежащих ря­дом (правее) с местом прикрепления этих белков. Некоторые гены, так называемые конститутивно экспрессирующиеся гены, имеют регуляторные белки, которые всегда связаны с их промоторами; таким образом, устанавливается постоянный уро­вень транскрипции. Промоторы других генов свя­заны с регуляторными белками только периодиче­ски, что обеспечивает временную индукцию или репрессию гена соответствующими регуляторами транскрипции. Свяжется ли РНК-полимераза II с геном, начнется ли транскрипция, и сколько раз в единицу времени это произойдет, определяется ре­гуляторами транскрипции, которые соединяются с различными участками промоторов и энхансеров. Факторы транскрипции, которые связываются с регуляторными областями генов, как правило, имеют три функциональных отдела (домена):

ДНК-связывающий домен, который содер­жит много щелочных аминокислотных остатков и позволяет белку распознавать и из­бирательно связываться со специфической последовательностью ДНК.

Активаторный домен, имеющий кислую ре­акцию, который позволяет белку контактиро­вать и активировать основной транскрипци­онный механизм (ТАТА-блок- связывающие белки и РНК-полимеразу II).

Один или более лиганд-связывающих или фосфорилирующих доменов, которые требуются для активации факторов транскрипции. Факторы транскрипции ДНК служат ключевы­ми регуляторами экспрессии гена, поэтому их биохимические свойства являются предметом интен­сивного изучения.

Мы знаем на данный момент три основных семейства белков – факторов транскрипции:

Белки «спираль-поворот-спираль» (helix-tum-helix). Эта группа ДНК-связывающих белков представлена в большинстве случаев гомодимерами. Каждая субъединица белка содержит альфа-спираль, которая подходит к большой бороздке спирали ДНК. Это «уз­нающий домен». Остальная часть белка всегда выгибается из молекулы ДНК и обвивает ее, а вторая альфа-спираль белка входит в большую бороздку на следующем витке ДНК. Ко­гда такие белки соединяются с участком ДНК, они изменяют конформацию ДНК и делают ее либо более доступной для транскрипции (и тогда они служат «индуктора­ми»), либо менее доступной (тогда они работают как «репрессоры»).

Белки типа «цинковый палец». Белки этой группы названы так потому, что они имеют участок приблизительно из 23 аминокислот, который содержит чередующиеся остатки цистина и гистидина и формирует пальце­видные выступы, чья структура поддерживается благодаря связанным ионам цинка. Такие белки взаимодействуют с ДНК с помощью петлевидных участков. Рецепторы глюкокортикоидов, эстрогенов, витамина А, прогестерона, гормонов щитовидной железы и ретиноевой кислоты содержат по два «цин­ковых пальца».

Амфифильные спиральные белки. Эта груп­па включает две подгруппы: белки «спи­раль-петля-спираль» (helix-loop-helix) и белки типа «лейциновой молнии». Белки-регуляторы, имеющие структуру типа «лейциновых молний», могут формировать либо гомодимеры, в которых обе субъединицы идентич­ны, либо гетеродимеры, в которых субъединицы не похожи друг на друга. Гетеродимеры состоят из двух различных белков с разной специфичностью к ДНК, поэтому способность определенных факто­ров транскрипции к формированию функциональ­ных димеров значительно увеличивает разнообра­зие ДНК- связывающих белков и, следовательно, вариабельность контроля гена. Образование гетеродимеров и даже олигомеров ДНК- связывающих белков (т.е. комбинационный контроль) — один из важнейших механизмов, используемых эукариотической клеткой для регуляции экспрессии генов. Также важно, что не все факторы транскрипции формируют гетеродимеры. Иначе перекрестный контроль и специфичность регуляции генов в клет­ке были бы невозможны.

Очевидно, что уровень транскрипции генов — главный фактор в регуляции жизнедеятельности и морфологии клетки. Однако это не единственная возможность воздействовать на клеточный фено­тип. Как показали многочисленные исследования, другие события также важны для контроля экс­прессии генов. Например, в дополнение к транс­крипции гена, создающей мРНК, молекулярный аппарат должен воспринимать сигналы самого ге­на; то есть должны быть вырезаны интроны (сплайсинг мРНК) и добавлены другие компонен­ты, обеспечивающие функциональность мРНК. По­сле такого процессинга мРНК должна быть перене­сена из ядра в цитоплазму. В цитоплазме на мРНК должна начаться трансляция белка. Механизмы трансляции мРНК требуют участия большого коли­чества регуляторных молекул; недостаток или сни­жение активности любой из этих молекул может оказать сильное влияние на цитоплазматическую экспрессию продукта гена. В цитоплазме мРНК может быть быстро разрушена или защищена от деградации цитоплазматическими белками; ста­бильность и период полужизни мРНК — особый механизм генной регуляции. Окончательный про­дукт гена, белок, также должен быть функциональ­но активным для проявления активности гена.

Посттранскрипционная регуляция осуществляется на уровне процессинга мРНК. Даже в том слу­чае, если транскрипция двух разных генов прохо­дит с одинаковой скоростью, дальнейший процессинг мРНК, включающий модификацию 5'- и 3'-концов и сплайсинг экзонов, может протекать по-разному у разных мРНК.

Регуляция на уровне трансляции осуществляется за счет того, что исключается возможность ис­пользования мРНК в качестве матрицы для синте­за белка, хотя она и присутствует в цитоплаз­ме. В ооците морского ежа, например, много мРНК, но сколько-нибудь заметного синтеза белка не происходит до тех пор, пока ооцит не будет опло­дотворен. Лишь после этого молекулы мРНК под­вергаются модификации, т.е. «приобретают» шпиль­ку на 5'-кoнцe (так называемый кэп, или «шапоч­ку») и «шлейф» из роlу А на З'-конце, и мо­гут далее включиться в нормальный трансляцион­ный процесс, который завершается построением молекулы белка.

Посттрансляционная регуляция основана на том, что многие белки синтезируются в неактивной фор­ме и должны еще пройти стадию модификации. Так, в ß-клетках поджелудочной железы синтези­руется не инсулин как таковой, а его предшест­венник, полипептидная цепь которого длиннее инсулиновой и содержит еще некоторую добавочную последовательность аминокислотных остатков. Лишь после того, как эта последовательность вы­резается протеолитическим ферментом, получается собственно гормон в своей функциональной фор­ме. Таким образом, производство активного гор­мона может регулироваться посттрансляционным путем через регуляцию активности протеолитического фермента.

Эпигенетическая регуляция экспрессии генов. Процессы, управляющие программой развития, называются эпигенетическими. Как известно, слияние одного сперматозоида с единственной яйцеклеткой приводит к рождению полностью сформированного индивида, со всем набором функционально различных тканей и органов.

Очевидно, программа развития, заложенная в генах зародыша, «включает» или «выключает» их (на время или навсегда) в заранее заданной последовательности. При этом изменяется состав белков во вновь формирующихся клетках и тем самым изменяются свойства клеток. Наличие программы развития не объясняет, почему судьба первых клеток различна. На ДНК должен действовать какой-то процесс, управляющий развертыванием программы, отбирающий те или иные гены для включения или выключения в данной клетке в данное время. Без этого все соматические клетки тела, имеющие одни и те же хромосомы, развивались бы одинаково. Кроме того, что-то должно управлять передачей распределения состояний «включен-выключен» между генами от одного поколения клеток к другому. Дочерним клеткам предназначается сохранить уровень дифференцировки родительской клетки или же продвинуться дальше по пути специализации.

С генетической точки зрения вопрос о причинах дифференцировки 100 триллионов (1014) клеток организма человека, имеющих единый геном, сводится к проблеме дифференциальной экспрессии генов в разных клетках развивающегося организма. Становится все более очевидным, что стабильное поддержание этих различий обусловлено эпигенетическим контролем генной экспрессии. В настоящее время под эпигенетической изменчивостью понимается изменение экспрессии генов без изменения первичной последовательности нуклеотидов в ДНК. В более узком смысле слово «эпигенетика» означает модификацию генной экспрессии, обусловленную наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК. Интенсивные исследования регуляции активности генов различных видов микроорганизмов, растений, насекомых, животных и человека и секвенирование геномов, выполненные в последние десятилетия XX в., ознаменовались открытием ряда эпигенетических феноменов, к которым можно отнести эффект положения, парамутацию, трансвекцию, РНК-интерференцию, явление прионизации, супрессию транспозонов, геномный импринтинг и инактивацию Х-хромосомы.

Под эффектом положения понимают изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов. Этот эффект был обнаружен А. Стертевантом в 1925 г. у дрозофилы. У данного объекта часто наблюдается изменение экспрессии эухроматинового гена в результате его перемещения в гетерохроматиновую область генома. Эффект положения был обнаружен впоследствии у многих организмов, включая человека. Следует отметить, что корректная экспрессия генов зависит от ряда факторов: 1) состояния промоторной области, где фиксируется транскрипционный комплекс; 2) состояния энхансеров и сайленсеров - коротких областей ДНК, обеспечивающих присоединение тканеспецифичных транскрипционных факторов и помогающих сборке транскрипционного комплекса на промоторе; 3) локального состояния хроматина, окружающего промоторы и энхансеры, которое обеспечивает их доступность для белков, участвующих в контроле транскрипции. Нарушение любого из этих факторов, а также изменение взаиморасположения отдельных элементов, контролирующих работу транскрипционного комплекса, могут привести к изменению транскрипции гена.

Под парамутацией понимают такое взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, которое приводит к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей. Термин «парамутация» был введен Р.А. Бринком в 1956 г. для описания обнаруженного им нарушения I закона Менделя, согласно которому генетические факторы сегрегируют в неизмененном виде от гетерозиготных носителей. Предполагается, что парамутация также связана с наследственными изменениями структуры хроматина, проявляющимися через дистантные цис- и транс- взаимодействия генов.

Под трансвекцией понимают взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов. В качестве примера трансвекции служит локус уеllou у дрозофилы - энхансер одного аллеля этого локуса в трансположении влияет на промотор другого гомолога. Модели трансвекции включают прямое влияние гомологичных последовательностей ДНК друг на друга в результате образования петельных структур, транс­действующих энхансеров, диффундирующих регуляторных молекул РНК, прыгающих полимераз, транссплайсинга и т.д.

Эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую). У растений, например, известно явление косупрессии, или посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК. Двуспиральная РНК с помощью пока еще не ясного биологического превращения распадается на короткие кусочки - интерферирующую РНК, которая запускает деградацию соответствующей матричной РНК. Процесс такой специфической деградации определенных последовательностей информационной РНК, инициированный двуспиральными молекулами РНК, гомологичными к выключаемому гену, и приводящий к выключению его экспрессии, получил название «РНК-интерференции» (см. 1.2.4).

РНК-интерференция часто приводит к неблагоприятным последствиям для организма, формируя аномальный фенотип, что позволяет идентифицировать функцию данных генов.

Другое явление цитоплазматической наследственности - прионизация - связано уже с модификацией белков. Это явление привлекает внимание исследователей в связи с тяжелыми нейродегенеративными заболеваниями с поздним проявлением, возникающими в результате воздействия приона - инфекционного агента белковой природы, лишенного нуклеиновой кислоты. Эти болезни характеризуются атаксией, деменцией, дегенерацией нейронов и отложением амилоидных бляшек в центральной нервной системе. Установлено, что они возникают в результате накопления конформационно измененного аномального прионового белка в мозге при мутациях гена РККР (20р12). К числу таких заболеваний принадлежит болезнь Крейнцфельда-Якоба, куру, семейная фатальная бессонница и трансмиссивная губчатая энцефалопатия - болезнь бешеных коров.

У многих организмов эпигенетическое выключение генов связано с повторяющимися последовательностями ДНК, локализованными преимущественно в гетерохроматиновых областях генома. Гетерохроматин включает как простые повторы, так и неактивные мобильные генетические элементы - транспозоны. Число транспозонов в геноме человека достаточно велико – известно более 106 элементов. Поскольку транспозоны дестабилизируют геном путем инсерционного мутагенеза и способствуют хромосомным перестройкам через рекомбинацию между неаллельными повторами, то предполагается, что роль эпигенетической супрессии транспозонов в геноме млекопитающих заключается в защите хозяина против паразитических последовательностей ДНК.

Геномный импринтинг - это эпигенетический процесс, дифференциально маркирующий материнские и отцовские гомологичные хромосомы, приводящий к разному фенотипическому проявлению мутаций у потомства, унаследованных от матери или отца.

В генетическом смысле термин «импринтинг» (от английского «отпечаток») впервые был применен в 1960 г. Хелен Кроуз для описания селективной элиминации отцовских хромосом у насекомых.

В 80-х годах в экспериментах с трансплантацией ядер половых клеток у мышей было показано, что андрогенетические или гиногенетические эмбрионы не могли нормально развиваться в ходе эмбриогенеза.

В участках генома, подверженных импринтингу, экспрессируется только один из двух аллелей - отцовский или материнский. Второй аллель импринтирован (выключен или подавлен) и не экспрессируется.

Такой способ регуляции работы генов свидетельствует о неэквивалентном вкладе родителей в геном потомков. Все мы получаем один набор генов от матери, другой - от отца. У большинства генов работают обе копии. Но есть такие гены, у которых работает только материнская. У некоторых других только отцовская копия. Другая копия в этом случае не действует, «молчит»; говорят что она «находится под импринтингом». Известно около 40 таких генов.

Обычно для синтеза любого белка организму достаточно одной копии гена. Если в геноме развивающегося зародыша есть и материнские и отцовские гены, то любой импринтированный, «молчащий» ген имеет свою работающую копию. Тогда все в порядке. Однако если составить геном зародыша только из материнских или отцовских хромосом, то «молчать» будут обе копии.

У человека известно около 30 таких генов и транскриптов и предполагается, что их число может достигать 200-500. Импринтированные гены и транскрипты обнаружены на многих хромосомах человека- 1,5,6,7 и 13,15,19,20.

В настоящее время хорошо изученным является кластер импринтированных генов, расположенный на длинном плече хромосомы 15 человека. Нарушение работы данных генов приводит к двум классическим болезням геномного импринтинга – синдром Прадера-Вилли (СПВ) и синдром Ангельмана (СА). Эти заболевания имеют разные клинические признаки (гипотонсиндромия, ожирение, умственная отсталость, гипогонадизм при СПВ и атаксия, гиперкинезы, пароксизмальный смех, отсутствие речи при СА), но при цитогенетическом исследовании в обоих случаях у большинства больных выявляется делеция общего участка д11- д13 хромосомы 15. При анализе родительского происхождения хромосом обнаружено, что СПВ возникает в результате делеции отцовской хромосомы- 15, а СА- материнской.

Известно, что проявление умственных и социальных качеств человека (поведение в социуме) обусловлено разным функционированием определенных генов, передаваемых от отца или от матери своим потомкам в зависимости от пола последних. Судя по исследованиям больных детей с нарушением строения Х-хромосомы, именно в ней находятся гены, от которых зависят познавательные способности человека и его социальное поведение. Так как сын получает только одну, материнскую, Х-хромосому, его умственные и социальные возможности, в первую очередь наследуются от матери. Иное дело дочери, геном которых формируется Х-хромосомами обоих родителей. Здесь вступает в силу механизм импринтинга: материнские или отцовские копии генов, определяющих интеллект и социальное поведение, выключаются. Следовательно, социальное поведение женщины зависит от отцовской Х-хромосомы, которая всегда наследуется дочерьми. Информация, которая хранится в материнской Х-хромосоме и проявляется у сыновей, не будет считываться в организме дочери. В передаче интеллекта участвуют и другие гены той же хромосомы. Материнские копии некоторых из них активируют рост коры головного мозга, а отцовские наоборот - тормозят.

В настоящее время предложены, по крайней мере, две теории, объясняющие функцию геномного импринтинга. Первая из них - конфликтная теория отцовского и материнского геномов в регуляции роста плода. Увеличение плаценты и массы плода может обеспечить преимущественное размножение потомков по линии отца, но истощит ресурсы матери. Однако если рост плаценты и плода находится под контролем со стороны матери, то она сможет обеспечить воспроизводство большего числа потомков по своей линии. Отсюда можно предполагать, что мать будет импринтировать или выключать гены, способствующие росту плаценты и плода, тогда как отец будет выключать гены, препятствующие этому росту.

Вторая (защитная) теория объясняет роль геномного импринтинга с точки зрения защиты генома хозяина от проникновения в него чужеродных элементов. Согласно этой теории, импринтинг, и в частности метилирование ДНК, это защитный механизм, обеспечивающий инактивацию паразитических последовательностей ДНК, таких как транспозоны и провирусная ДНК.

Определение импринтированной экспрессии какого-либо гена в отдельной ткани вовсе не означает, что этот ген будет импринтирован во всех остальных. И наоборот, отсутствие импринтированного статуса гена в некоторых тканях вовсе не исключает его наличия в других. Эти данные подтверждают предположение о том, что тканеспецифичная эпигенетическая модификация генов является одним из основных механизмов, обеспечивающих дифференциальную экспрессию генов клеток разных тканей в ходе развития.

Установлено, что в основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в ЦГ-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов.

Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.

Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4-х ДНК-метилтрансфераз и поддерживает специфический рисунок метилирования (рис. 24) в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные.

Рис.24. Метилирование ДНК

Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека.

В последние годы стало ясно, что механизм компактизации- декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией- дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина - так называемые «хроматиновые болезни». Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-ЦГ-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков. Они взаимодействуют с гистонами.

Деацетилирование гистонов, ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию.

Процессы метилирования тесно связаны с возникновением опухолей. Предполагается, что в процессе эволюции метилирование возникло уже у одноклеточных как средство защиты от проникновения в клетку чужих ДНК, например вирусных. Метилирование могло бы инактивировать гены инфекционных агентов, проникающих в клетку. Метилирование могло бы также препятствовать размножению так называемых подвижных элементов генома, которые часто рассматриваются как геномные паразиты, цель которых состоит лишь в распространении по геному собственной ДНК.

Система метилирования генов и геномный импринтинг возникли у позвоночных. У беспозвоночных метилирование цитозина, как правило, отсутствует.

По своей сути, метилирование - событие эпигенетическое. Нарушение регуляции метилирования в эмбриогенезе может приводить к гибели организма. Изменение степени метилирования в соматических клетках взрослого организма наблюдается при некоторых патологических состояниях у человека, в том числе и злокачественных новообразованиях.

Проблема геномного импринтинга из общебиологической перешла в практическую область исследований клинической генетики. Дальнейшее его изучение позволит улучшить диагностику и профилактику целого ряда наследственных заболеваний.

Многие исследователи считают, что у высших организмов важным эпигенетическим процессом может быть химическая модификация ДНК. В частности, в управлении генетическим переключением в развивающихся клетках может участвовать присоединение метильной (СН3) группы к цитозину, т.е. метилирование ДНК.

Очевидно, от одного поколения клеток к другому передаются без изменения не какие-либо регуляторные белки, а метильные группы в составе ДНК. Возможно, что наличие или отсутствие метильных групп служит сигналом для регуляторных белков и в результате эти белки взаимодействуют с ДНК в дочерних клетках так же, как в родительской клетке. Эксперименты по активации генов в культурах клеток весьма убедительно свидетельствует в пользу связи между генной экспрессией и метилированием ДНК.

Так, исследование половых хромосом женского организма (ХХ) показало, что они метилированы неодинаково. В частности, в неактивной Х-хромосоме оказались метилированными участки регуляторных генов «внутреннего употребления» (т.е. гены, активные во всех клетках). В активной же гомологичной хромосоме эти участки не метилированы. Таким образом, метилирование ДНК – важный эпигенетический фактор в развитии высших организмов. Функции генов вза­имосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такие случаи наследова­ния объясняют генетическим импринтингом.

Генетический импринтинг может проявляться не только на уровне гена или кластера генов. Он может затрагивать целую хромосому (однородительские дисомии) и даже геномы. Эффекты геномного импринтинга у человека изуче­ны на примере пузырного заноса (табл.4).

Табл.4. Последствия разных вариантов импринтинга целого генома у человека

Из представленных в таблице данных можно сделать вывод, что развитие плаценты обеспечивается геномом отца, а раннее развитие эмбриональных структур обеспечивается геномом матери.

Гормональная регуляция экспрессии генов. Регуляция с помощью гормонов - это частный случай регуляции на уровне транскрипции. Таким путем организм заставляет клетку «включить» оп­ределенные гены в ответ на внешний стимул. Так, стероидные гормоны из тех клеток, где они были синтезированы, попадут, в конечном счете, в цито­плазму соответствующих клеток-мишеней, откуда специальный транспортный белок перенесет их в ядро, где они смогут активировать те или иные гены путем прямого взаимодействия с хроматином в соответствующих местах. Каждый гормон акти­вирует свой набор генов. Таким способом обеспе­чивается соответствие реакции клетки роду сигнала, который клетка воспринимает через посредничество соответствующего гормона. Гормоны связываются с особыми белками рецепторами, образуя с ними комплекс. Активированный гормоном рецептор приобретает способность узнавать определенные последовательности ДНК, в результате ген инактивируется.

Например: влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-репрессора.

Установлено, что одно лишь присутствие гена Y-хромосомы, который определяет дифференцировку половых желез по мужскому типу и синтез гормона тестостерона, не способно обеспечивать развитие организма мужского типа. Для этого необходим также белок-рецептор, обеспечивающий проникновение гормона в клетки тканей-мишеней. 3а синтез такого белка отвечает особый ген, расположенный в другой хромосоме. Его мутация, нарушающая образование нормального белка-фермента, делает ткани-мишени невосприимчивыми к гормону, направляющему их развитие по мужскому типу. В результате гормон не проникает в клетку-мишень и не включается определенный набор генов. Не использовав такую возможность на определенном этапе онтогенеза, организм осуществляет развитие по женскому типу. В результате появляется особь с кариотипом ХY, но внешне более сходная с женщиной. Такие люди не способны иметь потомство, так как половые железы (семенники) недоразвиты, а их выводные протоки часто формируются по женскому пути (недоразвитая матка, наличие влагалища). Т. о., вторичные половые признаки формируются такие же, как и у женщины. Эта патология называется тестикулярная феминизация или синдром Морриса.