Back to chapter

10.2:

Регуляция экспрессии происходит на нескольких этапах

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
Regulation of Expression Occurs at Multiple Steps

Languages

Share

клетки могут точно регулировать экспрессию гена на каждом этапе, от ДНК к белку. Такое регулирование происходит во время транскрипции, во время обработки РНК локализации и деградации, и во время и после трансляции. Транскрипционное регулирование опосредовано протеинами, которые связываются с регуляторными последовательностями ДНК.Эти факторы транскрипции являются одним из самых типичных способов для контроля над генной экспрессией и может запустить транскрипцию или предотвратить ее. Транскрипция создает пре-мРНК, которые должны быть обработаны до зрелой мРНК через несколько регулируемых процессов. мРНК сплайсинг, который удаляет области без кодирования в предшественнике мРНК и соединяет кодирующие участки, управляет экспрессией генов через дифференцированный сплайсинг и привязыват РНК белки.Добавление хвоста poly(A)5-prime-кэпирование для производства зрелой mРНК Также контролируется Затем мРНК должна ассоциироваться с белками, связывающими РНК чтобы сформировать комплекс, известный как рибонуклечастица. Этот процесс имеет высокий уровень регулирования, и только мРНК, которая существует в рибонуклеочастице, может быть перевезена из ядра к цитоплазме для трансляции. Управление трансляцией-это еще один важный момент для регулирования экспрессии гена.Регулирование может быть конкретным, где действует индивидуальная мРНК или подмножество из mРНК, Или общим, где большинство мРНК-транскриптом попадут под влияние. В конкретных регулировании, запрет трансляции контролируется через взаимодействия с транзакционными элементами, такими как белки и определенные типы РНК, включая микроРНК и короткие интерферирующие РНК. При общем регулировании, различные белки вовлечённые в машинерию трансляции, включены или заблокированы, что влияет на все транскрипты.Наконец, пост-трансляционные изменения, например, фосфорилирование, может активировать или деактивировать белки, в то время как другие механизмы, такие как убиквитинирование, могут привести к их деградации.

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.

Suggested Reading

  1. Alberts et al., 6th edition; page 372
  2. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000. Section 11.3, Regulation of mRNA Processing.
  3. Valencia-Sanchez, M. A., Liu, J., Hannon, G. J., & Parker, R. (2006). Control of translation and mRNA degradation by miRNAs and siRNAs. Genes & development, 20(5), 515-524.
  4. Lei, E. P., & Silver, P. A. (2002). Protein and RNA export from the nucleus. Developmental cell, 2(3), 261-272.
  5. Hershey, John W B et al. “Principles of translational control: an overview.” Cold Spring Harbor perspectives in biology vol. 4,12 a011528. 1 Dec. 2012, doi:10.1101/cshperspect.a011528