10.1: Клеточная экспрессия генов

Многоклеточные организмы содержат множество структурно и функционально различных типов клеток, но ДНК во всех клетках произошла из одних и тех же родительских клеток. Различия в клетках можно объяснить дифференциальной экспрессией генов. Клетки печени, функции которых включают детоксикацию крови, выработку желчи для метаболизма жиров и синтез белков, необходимых для метаболизма, должны экспрессировать определенный набор генов для выполнения своих функций. Экспрессия генов также варьируется в зависимости от стадии развития. До дифференцировки в клетки печени клетки экспрессируют гены, участвующие в клеточном цикле, репликации ДНК и пролиферации. На более поздних стадиях развития экспрессируются гены, участвующие в дифференцировке эпителия и свертывании крови. Как только клетки дифференцируются в гепатоциты, увеличивается экспрессия генов, участвующих в специфических функциях печени, например, тех, которые участвуют в метаболизме липидов и регуляции холестерина.

Экспрессия генов может регулироваться во многих точках, включая транскрипцию, трансляцию, процессинг и транспорт РНК, а также посттрансляционные модификации. Распространенными методами регулирования экспрессии являются факторы, которые напрямую связываются с ДНК и регулируют транскрипцию определенного гена. Экспрессия генов в печени может регулироваться, среди прочего, факторами транскрипции C/EBPα, C/EBPβ и ядерным фактором гепатоцитов-1. Регуляция может происходить до транскрипции путем изменения гистонов, содержащихся в хроматине. Эти модификации приводят либо к ослаблению, либо к ужесточению структуры ДНК, тем самым соответственно предотвращая или позволяя регуляторам транскрипции получить доступ к ДНК. Различные типы клеток имеют разные ковалентные модификации и варианты гистонов, что приводит к различной доступности генов.

Клетки подвержены изменениям окружающей среды и экспрессируют разные гены в ответ на эти внеклеточные стимулы. Глюкоза является важным источником энергии, и поскольку ее концентрация в кровотоке колеблется, организм должен реагировать соответствующими изменениями в экспрессии генов и белков. Когда уровень глюкозы в крови снижается, поджелудочная железа выделяет гормон глюкагон. Этот гормон сигнализирует печени о необходимости инициировать выработку фосфоенолпируваткарбоксикиназы (PEPCK), белка, необходимого для производства глюкозы из неуглеводных предшественников. Глюкагон индуцирует транскрипцию этого гена, косвенно стимулируя факторы транскрипции C/EBPα и C/EBPβ связываться с промотором PEPCK. Когда уровень глюкозы в крови высок, поджелудочная железа выделяет гормон инсулин; Ген PEPCK имеет инсулинозависимую последовательность, которая ингибирует его транскрипцию.

Каждая клетка в теле многоклеточного организма обладает такой же ДНК, как все остальные. Однако, разные типы клетки имеют заметные структурные и функциональные различия, которые можно отнести к дифференциальной экспрессии генов в клетке. Кроме того, конкретные клетки выражают разные гены с течением времени из-за изменений в клетке или организме.

Разнообразие РНК и производимых белков даёт возможность клеткам выполнять их уникальные функции в соответствующее время. Клетки печени, называемые гепатоцитами, отображают другой набор генов по сравнению с нейронами. Например, клетки печени производять дегидрогеназу спирта, фермент, который расщепляет токсичный спирт в ацетальдегид, который может быть дополнительно метаболизирован для производства углекислого газа и воды.

Напротив, нейроны производят нейрексины, группу белков в мозге, которая помогает передавать информацию от одного нейрона к соседнему. Клетки имеют механизмы контроля экспрессии генов со множеством регуляторных шагов до, во время, и после транскрипции и трансляции. Однако, транскрипционные регуляторы являются общими, потому что это предотвращает синтез транскриптов мРНК.

Во время развития печени у людей, факторы транскрипции C/EBP-альфа, C/EBP-бета, и ядерный фактор 1 гепатоцита вносят свой вклад к специфичной для печени экспрессии генов дегидрогеназы алкоголя. Экспрессия гена также регулируется в ответ на внеклеточное окружение. когда уровень глюкозы в крови уменьшается, поджелудочная железа секретирует гормон глюкагон.

При воздействии глюкагона, клетки печени экспрессируют фосфоенолпируват карбоксикиназу, белок, необходимый для производства глюкозы из неуглеводных предшественников.