10.2: Регуляция экспрессии происходит на нескольких этапах

Экспрессия гена может регулироваться практически на каждом этапе от гена к белку. Транскрипция – это наиболее часто регулируемый этап. Сюда входит связывание белков с короткими регуляторными последовательностями на ДНК. Эта ассоциация может либо стимулировать, либо ингибировать транскрипцию гена, связанного с соответствующей последовательностью.

Транскрипция приводит к образованию предшественника (пре-мРНК), состоящего как из экзонов, так и из интронов, который требует дальнейшего процессинга перед трансляцией в белок. Это происходит посредством сплайсинга мРНК, который включает удаление некодирующих областей и слияние кодирующих. Процессинг мРНК также может использоваться в качестве регулирующего механизма посредством изменения паттернов сплайсинга, таких как пропуск определенных экзонов, альтернативный сплайсинг и включение интронов. 

Добавление поли-А хвоста в область 3’-конца и 5’-кэпа для производства зрелой мРНК также являются регуляторными точками во время процессинга РНК. Регуляция происходит за счет изменения сигнала полиаденилирования, который определяет, где поли-А-хвост будет добавлен к мРНК.  В некоторых случаях более одного поли-А сигнала присутствует на 3’-конце, что изменит длину 3’ нетранслируемой области, но конечный белковый продукт будет таким же. Однако стабильность и трансляционный потенциал вариантов мРНК могут различаться, что может изменять количество продуцируемого белка. В других случаях дополнительный поли-А сигнал присутствует в интроне или экзоне в последовательности гена, что может приводить к изменению сайтов сплайсинга для полиаденилирования и приводить к появлению разных белков из одной и той же цепи пре-мРНК. Добавление 5’-кэпа, состоящего из метилированного гуанозина, регулируется двумя механизмами.  Один из них включает регуляцию метилтрансфераз, которые добавляют метильную группу к гуанозину, а другой – регуляцию клеточных сигнальных путей, ведущих к метилированию.

Затем зрелую мРНК необходимо транспортировать для трансляции из ядра в цитоплазму через ядерные поровые комплексы (ЯПК). Это регулируется образованием комплекса мРНК с белками, связывающими РНК, известного как рибонуклеочастица. ЯПК позволяют проходить в цитоплазму только входящей в состав комплекса мРНК. После того, как мРНК попадает в цитоплазму для трансляции, она может быть нацелена либо индивидуально, либо как часть группы посредством специфической регуляции, либо она может подвергаться общей регуляции со всеми другими мРНК в цитоплазме. В специфической регуляции транскрипцию регулируют определенные транс-регуляторные элементы, такие как белки и различные типы РНК. В общем случае белки, участвующие в трансляционном аппарате, активируются или ингибируются, что, в свою очередь, влияет на трансляцию всех транскриптов. Наиболее распространенным механизмом регуляции трансляции является модификация факторов инициации трансляции.

Экспрессия генов также может регулироваться с помощью посттрансляционных модификаций, когда обратимая модификация, катализируемая ферментами, может изменять функцию белка. Распространенной посттрансляционной модификацией является фосфорилирование, которое осуществляется ферментами, известными как киназы. С другой стороны, дефосфорилирование белков осуществляется белками, известными как фосфатазы. Фосфорилирование белка может привести к его активации или деактивации и изменить его функцию.