10.1: Ekspresja genów specyficzna dla komórki

Organizmy wielokomórkowe zawierają różnorodne strukturalnie i funkcjonalnie różne typy komórek, ale DNA we wszystkich komórkach pochodzi z tych samych komórek rodzicielskich. Różnice w komórkach można przypisać zróżnicowanej ekspresji genów. Komórki wątroby, których funkcje obejmują detoksykację krwi, wytwarzanie żółci w celu metabolizowania tłuszczów i syntezę białek niezbędnych do metabolizmu, muszą wykazywać ekspresję określonego zestawu genów, aby mogły wykonywać swoje funkcje. Ekspresja genów różni się również w zależności od etapów rozwoju. Przed różnicowaniem do komórek wątroby, komórki te wykazują ekspresję genów biorących udział w cyklu komórkowym, replikacji DNA i proliferacji. Na późniejszym etapie rozwoju geny zaangażowane w różnicowanie nabłonka i krzepnięcie krwi ulegają silnej ekspresji. Gdy komórki różnicują się w hepatocyty, wzrasta ekspresja genów zaangażowanych w funkcje specyficzne dla wątroby, na przykład tych zaangażowanych w metabolizm lipidów i regulację cholesterolu.

Ekspresję genów można regulować na wielu etapach, w tym na transkrypcji, translacji, przetwarzaniu i transporcie RNA oraz modyfikacjach potranslacyjnych. Powszechnymi metodami regulacji ekspresji są czynniki, które wiążą się bezpośrednio z DNA w celu regulacji transkrypcji określonego genu. Ekspresja genów w wątrobie może być regulowana między innymi przez czynniki transkrypcyjne C/EBPα, C/EBPβ i czynnik jądrowy hepatocytów-1. Regulacja może nastąpić przed transkrypcją poprzez zmianę histonów zawartych w chromatynie. Modyfikacje te powodują albo rozluźnienie, albo zaciśnięcie struktury DNA, odpowiednio uniemożliwiając lub umożliwiając regulatorom transkrypcji dostęp do DNA. Różne typy komórek mają różne modyfikacje kowalencyjne i warianty histonów, co powoduje różnice w dostępności genów.

Komórki podlegają zmianom środowiskowym i w odpowiedzi na bodźce zewnątrzkomórkowe wyrażają różne geny. Glukoza jest ważnym źródłem energii, a ponieważ jej stężenie w krwiobiegu ulega wahaniom, organizm musi reagować odpowiednimi zmianami w ekspresji genów i białek. Kiedy poziom glukozy we krwi spada, trzustka wydziela hormon glukagon. Hormon ten sygnalizuje wątrobie inicjowanie wytwarzania karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej (PEPCK), białka niezbędnego do produkcji glukozy z prekursorów niewęglowodanowych. Glukagon indukuje transkrypcję tego genu poprzez pośrednią stymulację czynników transkrypcyjnych C/EBPα i C/EBPβ do wiązania się z promotorem PEPCK. Kiedy poziom glukozy we krwi jest wysoki, trzustka wydziela hormon insulinę; gen PEPCK ma sekwencję wrażliwą na insulinę, która hamuje jego transkrypcję.

Każda komórka w organizmie wielokomórkowym posiada to samo DNA; jednak różne typy komórek mają zauważalne różnice strukturalne i funkcjonalne, które można przypisać zróżnicowanej ekspresji genów w komórce.

Dodatkowo, określone komórki wyrażają różne geny w czasie z powodu zmian w komórce lub organizmie. Różnorodność wytwarzanych RNA i białek umożliwia komórkom wykonywanie ich unikalnych funkcji w odpowiednim czasie.

Komórki wątroby, zwane hepatocytami, wyrażają inny zestaw genów niż neurony.

Na przykład, komórki wątroby wytwarzają dehydrogenazę alkoholową, enzym, który rozkłada toksyczne alkohole na aldehyd octowy, który następnie może być dalej metabolizowany do produkcji dwutlenku węgla i wody.

Natomiast neurony produkują neureksyny, grupę białek w mózgu, które pomagają przekazywać informacje z jednego neuronu do sąsiedniego.

Komórki mają mechanizmy kontroli ekspresji genów na wielu etapach regulacyjnych przed, w trakcie i po transkrypcji i translacji. Jednak regulatory transkrypcji są powszechne, ponieważ zapobiegają syntezie transkryptów mRNA.

Podczas rozwoju wątroby u ludzi, czynniki transkrypcyjne C/EBP α, C/EBP β i czynnik jądrowy hepatocytów-1 przyczyniają się do specyficznej dla wątroby ekspresji genów dehydrogenazy alkoholowej.

Ekspresja genów jest również regulowana w odpowiedzi na środowisko zewnątrzkomórkowe.

Gdy poziom glukozy we krwi spada, trzustka wydziela hormon glukagon. Po wystawieniu na działanie glukagonu, komórki wątroby wyrażają karboksykinazę fosfoenolopirogronianową, białko niezbędne do produkcji glukozy z prekursorów niewęglowodanowych.