Back to chapter

10.1:

Клеточно-специфическая экспрессия генов

JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Cell Specific Gene Expression

Languages

Share

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.

10.1:

Клеточно-специфическая экспрессия генов

Многоклеточные организмы содержат множество структурно и функционально различных типов клеток, но ДНК во всех клетках произошла от одних и тех же родительских клеток. Различия в клетках могут быть вызваны дифференциальной экспрессией генов. Клетки печени, функции которых включают детоксикацию крови, выработку желчи для метаболизма жиров и синтез белков, необходимых для обмена веществ, для выполнения своих функций должны экспрессировать определенный набор генов. Экспрессия генов также зависит от стадии развития. До дифференцировки в клетки печени клетки экспрессируют гены, участвующие в клеточном цикле, репликации ДНК и пролиферации. На более позднем этапе развития сильно экспрессируются гены, участвующие в дифференцировке эпителия и свертывании крови. Как только клетки дифференцируются в гепатоциты, увеличивается экспрессия генов, участвующих в специфических для печени функциях, 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. Обычные методы регулирования экспрессии – это факторы, которые напрямую связываются с ДНК, чтобы регулировать 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 расслаблению, либо к сжатию структуры ДНК, тем самым соответственно запрещая или позволяя регуляторам транскрипции получить доступ к ДНК.  В различных типах клеток есть разные ковалентные модификации и варианты гистонов, что приводит к различиям в 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 дает сигнал печени инициировать выработку фосфоенолпируваткарбоксикиназы (ФЕПКК), белка, необходимого для производства глюкозы из неуглеводных предшественников. Глюкагон индуцирует транскрипцию этого гена, косвенно стимулируя факторы транскрипции  C/EBPα и C/EBP&#946 связываться с промотором ФЕПКК. Когда уровень глюкозы в крови высок, поджелудочная железа выделяет гормон инсулин. Ген ФЕПКК имеет инсулино-чувствительную последовательность, которая ингибирует его транскрипцию.

Suggested Reading

  1. Alberts et al., 6th edition; pages 369-374.
  2. Lodish et al., 8th edition; pages 363- 364
  3. Park, Edwards A. Austin L. Gurney, Steven E. Nizielski, Parvin Hakimi, Zhodan Caot, Antoon MoormanY, and Richard W. Hanson. “Relative Roles of CCAAT/Enhancer-binding Protein β and cAMP Regulatory Element-binding Protein in Controlling Transcription of the Gene for Phosphoenolpyruvate Carboxykinase (GTP)” Journal of Biological Chemistry 268, No. 1, (1993): 613-619