Регулация на транскрипцията

Какво кара една клетка, която се намира вътре в носа ти, отговорна за подушването на, да кажем парче пица, да изглежда и действа различно от клетка, която покрива червата ти и е отговорна за абсорбирането на хранителните вещества от тази пица? Те имат точно еднаква ДНК, така че разликите не могат да бъдат приписани на този факт сам по себе си. Отговорът всъщност лежи в експресията на тази ДНК, кои гени са активно транскрибирани и кои не са и има няколко начина, по които генната регулация протича на нивото на транскрипцията. Сега ще разгледаме основните сред тях. Нека начертаем хипотетичен ген тук и свързана с този ген е последователност нагоре по веригата, към три прим региона на комплементарната верига, също наречена матрична верига. Тази последователност се нарича промотър. Има друга последователност между промотъра и гена, наречена оператор. Операторът е последователност от ДНК, към която са комбинирани транскрипционен фактор и протеин и промотърът е последователността от ДНК, към която се прикрепя РНК полимеразата, за да започне транскрипция. Първо, при прокариотите имаме нещо, наречено общи транскрипционни фактори, които са клас протеини, които се свързват към специфични места в ДНК, за да активират транскрипция. Общите транскрипционни фактори плюс РНК полимеразата и друг протеинов комплекс, наречен медиаторен множествен протеинов комплекс, съставят основния транскрипционен апарат, който позиционира РНК полимеразата точно при началото на протеин-кодиращата последователност на един ген, а после освобождава полимеразата, за да транскрибира информационната РНК от тази ДНК матрица. Има друг вид ДНК-свързващ протеин, наречен активатор, и той усилва взаимодействието между РНК полимеразата и определен промотър, окуражавайки експресията на гена и активаторите могат да направят това като увеличат взаимодействието на РНК полимеразата за промотъра чрез взаимодействия със субединици от РНК полимераза или индиректно чрез променяне на структурата на ДНК. Пример за активатор е катаболитно-активаторият протеин, или САР. Този протеин активира транскрипцията на lac оперона в Е. соli. В случая с lac оперона и E. coli цикличният аденозин монофосфат, или цАМФ, бива продуциран при глад за глюкоза и цАМФ се свързва с катаболитно-активаторния протеин, или САР, който причинява конформационна промяна, която позволява на САР протеина да се свърже с ДНК място, намиращо се до промотъра и после този активатор, САР, създава директно взаимодействие протеин към протеин с РНК полимеразата, което привлича РНК полимеразата към промотъра. Усилвателите са местата в ДНК, които са свързани от активаторите, за да увият ДНК по определен начин, който довежда специфичен промотър към комплекса за инициацията ѝ, както името предполага, това усилва транскрипцията на гените в определена генна група. И докато усилвателите обикновено са това, което се нарича цис-действащи, като цис означава същите, или действащи върху същата хромозома. Един усилвател не е задължително да бъде особено близо до гена, върху който действа, и понякога дори не се намира върху същата хромозома. Усилвателите не действат върху самия промотърен регион, а всъщност са свързани от активаторни протеини и тези активаторни протеини могат да взаимодействат с медиаторния комплекс, който споменах по-рано, който привлича РНК полимераза и общите транскрипционни фактори, които после може да доведат до транскрипция на гените. Тук начертах малка схема на това как може да изглежда да имаме усилвател, променящ структурата на ДНК, така че ДНК сега се увива. Тук пак имаш промотърната последователност, операторната последователност, генната последователност и усилвателната последователност, и имаш ДНК, увита по такъв начин, че можеш да "повикаш" РНК полимеразата, транскрипционните фактори, медиаторния протеинов комплекс, а после тук върху този ген започва транскрипцията. Сега нека поговорим за репресори. Репресорите са протеини, които се свързват с оператора, пречейки на РНК полимеразата да прогресира по веригата и, следователно, възпрепятствайки експресията на гена. Ако един индуктор, който е молекула, която инициира генната експресия, е наличен, той може да взаимодейства с репресорния протеин по такъв начин, че да го накара да се освободи от оператора и после да освободи РНК полимеразата да транскрибира гена надолу по ДНК веригата. Един пример за репресорен протеин е репресорният протеин, свързан отново с lac оперон оператора, който не позволява транскрипцията на гените, използвани в метаболизма на лактозата, освен ако лактоза, която е индукторна молекула, не е налична като алтернативен източник на енергия. Заглушителите са области от ДНК, които са свързани с репресорни протеини, за да се заглуши генната експресия и този механизъм е много подобен на този на усилвателните последователности, за които току-що говорих. И, подобно, заглушителите могат да се намират на няколко бази нагоре или надолу по веригата от реалния промотър на гена, а когато репресорен протеин се свърже със заглушителната област на ДНК, РНК полимеразата не може да се свърже с промотърната област. Няколко забележки за разликите между прокариотите и еукариотите, когато става въпрос за регулация на транскрипцията. При прокариотите регулацията на транскрипцията е необходима, за да може клетката бързо да се адаптира към вечно променящата се околна среда на клетката. Наличието, количеството, видът хранителни вещества определят кои гени биват експресирани и, за да се направи това, гените трябва да бъдат регулирани по такъв начин, че комбинация активатори, репресори и, рядко, усилватели, поне в случая с прокариотите, определя дали един ген ще бъде транскрибиран. При еукариотите регулацията на транскрипцията по принцип включва комбинация от взаимодействия между няколко транскрипционни фактори, което позволява по-сложен отговор на множество условия в околната среда. И друга главна разлика между еукариотите и прокариотите е фактът, че еукариотите имат ядрена обвивка, която не позволява едновременната транскрипция и транслация на определен ген и това добавя допълнителен пространствен и времеви контрол на генната експресия.