If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Преглед: Регулация на гените в еукариотите

Как различните гени са изявени в различните видове клетки. Голямата картина на регулацията на гените в еукариотите.

Ключови точки:

  • Генната регулация е процесът на контролиране на това кои гени в клетъчната ДНК биват експресирани (използвани за произвеждане на функционален продукт като протеин).
  • Различни клетки в един многоклетъчен организъм може да експресират много различни групи гени, въпреки че съдържат една и съща ДНК.
  • Групата гени, експресирани в една клетка, определя групата протеини и функционални РНК-и, които тя съдържа, давайки ѝ уникалните ѝ характеристики.
  • При еукариоти като хората генната експресия включва много стъпки и генната регулация може да протече при всяка от тези стъпки. Но много гени биват регулирани предимно на нивото на транскрипцията.

Въведение

Удивителното ти тяло съдържа стотици различни видове клетки, от имунни клетки до кожни клетки, до неврони. Почти всички ти клетки съдържат един и същ набор ДНК инструкции – така че защо изглеждат толкова различни и вършат толкова различни работи? Отговорът е: различна генна регулация!

Генната регулация прави клетките различни

Генната регулация е начинът една клетка да контролира кои гени от многото гени в генома ѝ да бъдат "включени" (експресирани). Благодарение на генната регулация всеки вид клетки в тялото ти има различна група активни гени – въпреки факта, че почти всички клетки в тялото ти съдържат съвсем еднаква ДНК. Тези различни модели генна експресия карат различните типове клетки да имат различни групи протеини, правейки всеки тип клетка уникално специализиран да извърши работата си.
Например една от функциите на черния дроб е да премахва токсични вещества като алкохола от кръвообращението. За да направят това, чернодробните клетки експресират гени, кодиращи субединици (части) от един ензим, наречен алкохол дехидрогеназа. Този ензим разгражда алкохола до нетоксично вещество. Невроните в мозъка на човека не премахват токсини от тялото, така че държат тези гени неекспресирани, или "изключени". Подобно, клетките на черния дроб не изпращат сигнали чрез използване на невротрансмитери, така че държат невротрансмитерните гени изключени.
Ляв панел: чернодробна клетка. Чернодробната клетка съдържа протеини алкохол дехидрогеназа. Ако разгледаме ядрото, виждаме, че генът, кодиращ алкохол дехидрогеназа, се експресира в иРНК, докато генът, кодиращ невротрансмитери, не се експресира. РНК се обработва, след което се транслира и в клетката има протеините на алкохол дехидрогеназата.
Десен панел: неврон. Невронът съдържа невротрансмитерни протеини. Ако разгледаме ядрото, виждаме, че генът, кодиращ алкохол дехидрогеназа, не се експресира до РНК, докато невротрансмитерният ген се експресира. РНК се обработва и транслира и затова невротрансмитерните протеини се намират в клетката.
Има много други гени, които биват експресирани различно в чернодробните клетки и в невроните (или всеки два типа клетки в многоклетъчен организъм като теб).

Как клетките "решават" кои гени да включат?

Това е сложен въпрос! Много фактори могат да повлияят на това кои гени ще експресира една клетка. Различни типове клетки експресират различни групи гени, както видяхме по-горе. Но две различни клетки от един и същи тип може също да имат различни модели на генна експресия в зависимост от околната им среда и вътрешното им състояние.
Най-общо казано, моделът на генна експресия на една клетка се определя от информация и отвътре, и извън клетката.
  • Примери за информация от вътрешната среда на клетката: протеините, които тя наследява от майчината си клетка; дали ДНК е увредена и колко АТФ има.
  • Примери за информация от външната среда на клетката: химични сигнали от други клетки, механични сигнали от извънклетъчния матрикс и наличие на хранителни вещества.
Как тези насоки помагат на една клетка "да реши" кои гени да експресира? Клетките не взимат решения в смисъла, в които ти и аз бихме. Вместо това те имат молекулярни пътища, които преобразуват информация – като свързването на химичен сигнал към неговия рецептор – в промяна в генната експресия.
Като пример да разгледаме как клетките отговарят на растежни фактори. Растежен фактор е химичен сигнал от съседна клетка, който инструктира целевата клетка да расте и да се дели. Бихме казали, че клетката "забелязва" растежния фактор и "решава" да се дели, но как точно всъщност се случват тези процеси?
Растежните фактори се прикрепят към съответнтите рецептори на клетъчната повърхност и активират сигнализиращ път в клетката. Сигнализиращият път активира транскрипционни фактори в ядрото, които се прикрепят към ДНК близо до гените, промотиращи деленето и растежа, и водят до тяхното транскрибиране в РНК. РНК бива обработена и изнесена от ядрото, после транслирана, за да се синтезират протеини, които задвижват растежа и деленето.
  • Клетката засича растежния фактор чрез физическо свързване на растежния фактор към рецепторен протеин на клетъчната повърхност.
  • Свързването на растежния фактор кара рецептора да промени формата си, задействайки поредица химични събития в клетката, които активират протеини, наречени транскрипционни фактори.
  • Транскрипционните фактори се прикрепят към определени последователности ДНК в ядрото и водят до транскрибирането на свързани с деленето гени.
  • Продуктите на тези гени са различни видове протеини, които карат клетката да се дели (задвижват клетъчния растеж и/или "бутат" клетката напред в клетъчния цикъл).
Това е само един пример за това как една клетка може да риагира на някаква информация като промени генната експресия. Има много други примери и генната регулация е област, която в наши дни все още е обект на изучаване.
Сигнализирането с растежните фактори е сложно и включва активирането на разнообразни мишени, включително и транскрипционни фактори и протеини, които не са транскрипционни фактори. Можеш да научиш повече за това как работи сигнализирането с растежните фактори в статията за вътреклетъчно предаване на сигнали.

Генната експресия при еукариотите може да се регулира на много етапи

В следващите статии ще проучим различни видове генна регулация при еукариотите. Тоест ще видим как експресията на гени при еукариотите (като нас!) може да бъде контролирана на различни етапи – от достъпността на ДНК до производството на иРНК-и, до транслацията и обработката на протеини.
Генната експресия при еукариотите включва много стъпки и почти всички те могат да бъдат регулирани. Различните гени се регулират в различни точки и не е рядко срещано един ген (особено важен или силен такъв) да бъде регулиран при множество стъпки.
  • Достъпност на хроматина. Структурата на хроматина (ДНК и нейните организиращи протеини) може да бъде регулирана. По-отворен или "отпуснат" хроматин прави един ген по-достъпен за транскрипция.
  • Транскрипция. Транскрипцията е ключова регулаторна точка за много гени. Групи протеини, т.нар. транскрипционни фактори, се прикрепят към специфични участъци от ДНК в или близо до даден ген и промотират или потискат неговата транскрипция в РНК.
  • РНК обработване. Сплайсингът, слагането на шапка и добавянето на поли-А опашка към РНК молекула може да бъде регулирано, както и излизането от ядрото. Различни иРНК-и могат да бъдат изградени от една и съща пре-иРНК чрез алтернативен сплайсинг.
Етапи на генна експресия при еукариотите (всеки от които може потенциално да бъде регулиран).
  1. Структура на хроматина. Хроматинът може да бъде компактен или свободен и отворен.
  2. Транскрипция. Един наличен ген (с достатъчно отворен хроматин) бива транскрибиран за изграждане на първичен транскрипт.
  3. Обработване и изнасяне. Първичният транскрипт бива обработен (разрязан, с добавени шапка и поли-А опашка) и изнесен от ядрото.
  4. иРНК стабилност. В цитозола иРНК може да бъде стабилна за дълги периоди време или може да бъде бързо деградирана (разградена).
  5. Транслация. иРНК може да бъде транслирана повече или по-малко лесно/често от рибозомите, за да изгради полипептид.
  6. Обработка на протеини. Полипептидът може да премине през различни видове обработка, включително протеолитично изрязване (изрязване на аминокиселини) и химични модификации като добавяне на фосфатни групи.
Всички тези стъпки (ако са приложими) трябва да бъдат изпълнени за даден ген, за да може в клетката да е наличен съответният активен протеин.
Изображение, базирано на подобни диаграми от Reece et al. start superscript, 1, end superscript и Purves et al. squared
  • РНК стабилност. Продължителността на живота на една иРНК молекула в цитозола влияе на това колко протеини могат да бъдат изградени от нея. Малки регулаторни РНК-и, наречени миРНК-и, могат да се прикрепят към целеви иРНК-и и да доведат до нарязването им.
  • Транслация. Транслацията на иРНК може да бъде увеличена или инхибирана от регулатори. Например миРНК-и понякога блокират транслацията на техните целеви иРНК-и (вместо да водят до изрязването им).
  • Протеинова активност. Протеините могат да преминат през разнообразни модификации, като да бъдат изрязани или маркирани с химични групи. Тези модификации могат да бъдат регулирани и могат да повлияят на активността или поведението на протеина.
Въпреки че всички етапи на генната експресия могат да бъдат регулирани, главната контролна точка за много гени е транскрипцията. По-късни етапи на регулация често донаглясат моделите на генна експресия, които биват "загрубени" по време на транскрипция.
За да научиш повече, виж статиите за транскрипционни фактори и регулация след транскрипция.

Генна регулация и разлики между видовете

Разликите в генната регулация прави различните клетъчни типове в един многоклетъчен организъм (като теб) уникални по структура и функция. Ако разгледаме нещата в по-общ план, генната регулация може също да ни помогне да обясним някои от разликите във формата и функцията на различни видове със сравнително подобни генни последователности.
Например хората и шимпанзетата имат геноми, които са около 98, comma, 8, percent идентични на нивото на ДНК. Протеин-кодиращите последователности на някои гени са различни между хората и шимпанзетата, допринасяйки за разлики между видовете. Но изследователите мислят също, че промени в генната регулация играят главна роля за различията между хората и шимпанзетата. Например някои ДНК областиучастъци, които са налични в генома на шимпанзетата, но липсват в човешкия геном, съдържат известни генно-регулаторни последователности, които контролират кога, къде или колко силно един ген бива експресиранcubed.