Кіріспе
Жасушалар белгілі ген өнімдерінің өндірісін арттыру немесе азайту үшін қолданатын механизмдерді өзгерту сөздігі. Гендік экспрессияны реттеу, немесе гендік реттеу – бұл жасушалар белгілі бір ген өнімдерінің (белок немесе РНК) өндірісін арттыру немесе азайту үшін қолданатын механизмдердің кең ауқымын қамтиды. Гендік экспрессияның күрделі бағдарламалары биологияда кеңінен кездеседі, мысалы, даму жолдарын іске қосу, қоршаған ортаның стимулдарына жауап беру немесе жаңа тағамдық көздерге бейімделу үшін. Гендік экспрессияның кез келген қадамы – транскрипциялық бастаудан бастап РНК өңдеуге және белоктың посттрансляциялық модификациясына дейін – реттелуге жатады. Көбінесе бір гендік реттегіш басқасын бақылайды, және т.б., гендік реттеу желісінде. Гендік реттеу вирустар, прокариоттар және эукариоттар үшін маңызды, себебі ол жасушаға қажет болған кезде белокты экспресс етуге мүмкіндік береді, соның арқасында организмнің әмбебаптығы мен бейімделу қабілеті артады. 1951 жылы Барбара Макклинток жүгері тұқымының түсінің қалыптасуында екі генетикалық локус – Активатор (Ac) және Диссоциатор (Ds) арасындағы өзара әрекеттесуді көрсеткенімен, гендік реттеу жүйесін алғаш рет 1961 жылы Франсуа Якоб пен Жак Монод ашқан лак оперонның анықталуы деп есептеледі, онда лактоза метаболизміне қатысты кейбір ферменттер E. coli бактериясымен тек лактозаның болуы және глюкозаның болмауы жағдайында экспресс етіледі. Көпжасушалы организмдерде гендік реттеу жасушалық дифференциацияны және эмбриондағы морфогенезді басқарады, нәтижесінде бір гендік тізбектен әртүрлі жасуша түрлері құрылады, олардың әрқайсысы әртүрлі гендік экспрессия профиліне ие. Бұл гендік реттеудің қалай пайда болғанын түсіндірмесе де, эволюциялық биологтар оны эволюцияның молекулалық деңгейде қалай жұмыс істейтінін ішінара түсіндіретін фактор ретінде қарастырады және ол эволюциялық даму биологиясы ("эво дево") ғылымының негізгі бөлігі болып табылады.
vocabulary
Regulation of gene expression, or gene regulation, includes a wide range of mechanisms that are used by cells to increase or decrease the production of specific gene products (protein or RNA). Sophisticated programs of gene expression are widely observed in biology, for example to trigger developmental pathways, respond to environmental stimuli, or adapt to new food sources. Virtually any step of gene expression can be modulated, from transcriptional initiation, to RNA processing, and to the post translational modification of a protein. Often, one gene regulator controls another, and so on, in a gene regulatory network. Gene regulation is essential for viruses, prokaryotes and eukaryotes as it increases the versatility and adaptability of an organism by allowing the cell to express protein when needed. Although as early as 1951, Barbara McClintock showed interaction between two genetic loci, Activator (Ac) and Dissociator (Ds), in the color formation of maize seeds, the first discovery of a gene regulation system is widely considered to be the identification in 1961 of the lac operon, discovered by François Jacob and Jacques Monod, in which some enzymes involved in lactose metabolism are expressed by E. coli only in the presence of lactose and absence of glucose. In multicellular organisms, gene regulation drives cellular differentiation and morphogenesis in the embryo, leading to the creation of different cell types that possess different gene expression profiles from the same genome sequence. Although this does not explain how gene regulation originated, evolutionary biologists include it as a partial explanation of how evolution works at a molecular level, and it is central to the science of evolutionary developmental biology ("evo devo").
ДНҚ-ны өзгерту
Эукариоттарда ДНК-ның үлкен аймақтарының транскрипциясы оның хроматин құрылымына байланысты болуы мүмкін, ол ДНК метилирлеуі, ncРНК немесе ДНК-мен байланысатын ақуыз арқылы бағытталатын гистон модификацияларының нәтижесінде өзгеруі мүмкін. Осы модификациялар геннің экспрессиясын жоғарылату немесе төмендету мүмкіндігін береді. Гендік экспрессияны реттейтін осы модификациялардың кейбіреулері мұраға беріледі және эпигенетикалық реттеу деп аталады.
Құрылымдық
ДНҚ-ның транскрипциясы оның құрылымымен шартталған. Жалпы алғанда, ДНҚ-ның тығыздық деңгейі транскрипция жиілігін көрсетеді. Октамерлі белок кешендері, гистондар деп аталатын, сегіз гистон ақуызының айналасына оралған ДНҚ сегменті (нуклеосома деп аталады) ДНҚ-ның суперспиральдеуіне жауапты, ал бұл кешендер фосфорилирлеу сияқты процестер арқылы уақытша немесе метилирлеу сияқты процестер арқылы тұрақты өзгеріске ұшырауы мүмкін. Мұндай өзгерістер гендік экспрессия деңгейлеріндегі көбінесе тұрақты өзгерістерге себеп болады деп саналады.
Химиялық
ДНҚ метилирлеу – гендік белсенділікті жоюдың кең таралған әдісі. ДНҚ әдетте метилтрансфераза ферменттерімен цитозин нуклеотидтеріндегі CpG динуклеотидтік тізбекте метилденеді (тығыз жиынтықтасқан кезде «CpG аралдары» деп те аталады). ДНҚ-ның белгілі бір аймағындағы метилирлеу үлгісін талдау (бұл промотор болуы мүмкін) бисульфит карталау деп аталатын әдіс арқылы жүзеге асырылады. Метилденген цитозин қалдықтары өңдеу кезінде өзгермейді, ал метилденбегендері урацилге айналады. Айырмашылықтар ДНҚ тізбектеу арқылы немесе СНП-ны сандық бағалауға арналған әдістермен, мысалы, CG динуклеотидіндегі C/T-ның салыстырмалы мөлшерін өлшейтін Пиросекуендеу (Biotage) немесе MassArray (Sequenom) арқылы талданады. Метилирлеудің бұрыс үлгілерінің онкогенез процесіне қатысы бар деп есептеледі. Гистон ацетилденуі де транскрипцияның маңызды процесі болып табылады. CREB байланыстырушы ақуыз сияқты гистон ацетилтрансфераза ферменттері (HAT) ДНҚ-ны гистондық кешеннен бөліп, транскрипцияның жүруіне жағдай жасайды. Көбінесе ДНҚ метилирлеуі және гистон деацетилденуі гендік белсенділікті жою үшін бірлесе жұмыс істейді. Бұл екеуінің үйлесуі ДНҚ-ның тығыз оралуына, гендердің экспрессиясын төмендетуге сигнал береді.
Транскрипцияны реттеу
Транскрипцияны реттеу транскрипцияның қашан және қанша РНК жасалатынын бақылайды. РНК полимераза арқылы геннің транскрипциясын бірнеше механизмдер реттей алады. Спецификалық факторлар РНК полимеразаның белгілі бір промоторға немесе промоторлар жиынтығына қатысты таңдаулылығын өзгертеді, осылайша оларға байланысу мүмкіндігін арттырады немесе азайтады (мысалы, прокариоттық транскрипцияда қолданылатын сигма факторлары). Репрессорлар операторға байланысады, ДНК таспасындағы промотор аймағына жақын немесе оны жабатын тізбектерді кодтайды, РНК полимеразаның таспа бойымен қозғалуына кедергі келтіреді, осылайша геннің экспрессиясын тежейді. Оң жақтағы сурет лакоперонның репрессор арқылы реттелуін көрсетеді. Жалпы транскрипция факторлары РНК полимеразаны ақуызды кодтау тізбесінің басына орналастырады, содан кейін полимеразаны mRNA-ны транскрипциялауға жібереді. Активаторлар РНК полимераза мен нақты промотор арасындағы өзара әрекеттесуді күшейтеді, геннің экспрессиясын ынталандырады. Активаторлар бұл процесті РНК полимеразаның промоторға тартылуын арттыру арқылы, РНК полимеразаның суббірліктерімен өзара әрекеттесу арқылы немесе ДНК құрылымын жанама түрде өзгерту арқылы жүзеге асырады. Енхансерлер – ДНК спираліндегі белсенділермен байланысатын, ДНК-ны иіп, нақты промоторды бастау кешеніне жақындататын орындар. Көтергіштер прокариоттарға қарағанда эукариоттарда көбірек кездеседі, онда олардың саны қазірге аз ғана. Силенсерлер – белгілі бір транскрипция факторларымен байланысқан кезде геннің экспрессиясын тоқтатуға қабілетті ДНК тізбектерінің аймақтары.
РНК арқылы реттеу
РНК ген белсенділігінің маңызды реттеушісі болуы мүмкін, мысалы, микроРНК (miRNA), антисенс РНК немесе ұзақ кодтамайтын РНК (lncRNA). LncRNA-лар мРНК-дан олардың нақты жасушаішілік орналасулары мен функциялары бар екендігімен ерекшеленеді. Олар алғаш рет ядро мен хроматинде орналасқандығы анықталды, ал қазір олардың орналасуы мен функциялары өте әртүрлі. Кейбіреулері әлі де хроматинде болады, онда олар ақуыздармен өзара әрекеттеседі. Бұл lncRNA Паркинсон, Хантингтон және Альцгеймер аурулары сияқты нейрондық ауруларда ген экспрессиясына әсер етеді, ал басқалары, мысалы, PNCTR (пиримидинге бай кодтамайтын транскрипторлар) өкпе қатерлі ісігінің дамуында рөл атқарады. Аурулардағы рөліне байланысты, lncRNA-лар потенциалды биомаркерлер болып табылады және дәрі-дәрмектер немесе гендік терапия үшін пайдалы нысаналар болуы мүмкін, бірақ әзірге lncRNA-ларды бағыттайтын бекітілген дәрілер жоқ. Адам геномындағы lncRNA-лардың саны әлі толық анықталған жоқ, бірақ кейбір бағалаулар бойынша 16 000-нан 100 000-ға дейін lnc гендері бар.
Эпигенетикалық гендік реттеу
Эпигенетика - ДНК немесе РНК тізбегін өзгертпейтін гендердің модификациялануын білдіреді. Эпигенетикалық модификациялар ген экспрессиясына әсер ететін маңызды факторлардың бірі болып табылады. Олар геномдық ДНК және гистондарда жүзеге асады, ал олардың химиялық модификациялары ген экспрессиясын тиімдірек реттейді. Сүтқоректілер жасушаларында ДНК-ның бірнеше модификациясы (әдетте метилирлеу) және 100-ден астам РНК модификациясы бар. Бұл модификациялар ДНК-ға белок байланысының өзгеруіне, сондай-ақ РНК тұрақтылығы мен аударма тиімділігінің өзгеруіне алып келеді.
Қатерлі ісік кезінде транскрипцияны реттеу
Омыртқалы жануарларда гендердің көпшілігінің промоторлары көптеген CpG сайттарын қамтитын CpG аралдарынан тұрады. Геннің көптеген промоторлық CpG сайттары метилирленген кезде ген белсенділігін тоқтатып, үндемей қалады. Ішек-толқын ісігі көбінесе 3-6 басқарушы мутация және 33-66 серік немесе жолаушы мутацияға ие болады. Дегенмен, қатерлі ісікке қарай дамуға мутациядан гөрі транскрипциялық үндеу көбірек әсер етеді. Мысалы, ішек-толқын ісігінде 600-800 генге жуық CpG аралдарының метилирленуі арқылы транскрипциялық түрде үндетіледі (қатерлі ісіктерде транскрипцияны реттеу туралы қараңыз). Қатерлі ісікте транскрипциялық репрессия басқа эпигенетикалық механизмдер арқылы да жүзеге асуы мүмкін, мысалы микроРНК экспрессиясының өзгеруі. Сүт безі ісігінде BRCA1 генінің транскрипциялық репрессиясы BRCA1 промоторының гиперметилденуіне қарағанда, жоғары экспрессияланған 182 микроРНК арқылы жиірек кездеседі (сүт және жұмыртқа безі ісігінде BRCA1 экспрессиясының төмендеуі туралы қараңыз).
Есірткіге тәуелділік кезінде транскрипцияны реттеу
Есірткіге тәуелділіктің ерекше белгілерінің бірі – оның тұрақтылығы. Мінез-құлықтағы тұрақты өзгерістер мидың нақты аймақтарындағы гендік экспрессияға әсер ететін эпигенетикалық өзгерістер нәтижесінде туындайтын, ұзаққа созылатын өзгерістерге байланысты болып көрінеді. Есірткілерді қолдану мида эпигенетикалық өзгерістердің үш түрін тудырады: (1) гистон ацетилдемесі және гистон метилдемесі, (2) CpG орындарындағы ДНК метилдемесі, (3) микроРНК-ның эпигенетикалық жоғары немесе төмен реттелуі. (Толық мәліметтер үшін кокаинге тәуелділіктің эпигенетикасы туралы қараңыз.) Егешқұйрықтарда никотинді ұзақ қабылдау гистондардың ацетилдемесі арқылы ми жасушаларының гендік экспрессиясын эпигенетикалық бақылауын өзгертеді. Бұл тәуелділікте маңызды FosB ақуызының мидағы экспрессиясын арттырады. Темекіге тәуелділік 16 000-ға жуық адамда, оның ішінде ешқашан темекі тартпаған, қазіргі тартқыштар және 30 жылға дейін темекі татуын тоқтатқан адамдарда зерттелді. Қан жасушаларында геномдағы шамамен 450 000 талдаған CpG орындарының ішінде 18 000-нан астам CpG орнында жиі метилдеме өзгерген. Бұл CpG орындары 7 000-нан астам генде немесе адам гендерінің шамамен үштен бірінде кездеседі. Дифференциалды метилделген CpG орындарының көпшілігі темекі татуды тоқтатқаннан кейін бес жыл ішінде темекі тартпаған адамдардың деңгейіне қайта келді. Дегенмен, 942 геннің ішіндегі 2 568 CpG орны бұрынғы және ешқашан темекі тартпаған адамдарда әлі де дифференциалды метилделген күйде қалды. Мұндай қалған эпигенетикалық өзгерістерді «молекулалық іздер» деп қарастыруға болады. Метамфетамин, алкоголь және темекі түтінінің барлығы мидың ДНК-сына зақым келтіреді. ДНК зақымдарын жөндеу кезінде кейбір жеке жөндеу оқиғалары ДНК метилдемесін және/немесе зақымдалған орындардағы гистондардың ацетилдемесін немесе метилдемесін өзгерте алады, осылайша хроматинде эпигенетикалық із қалдыруға себеп болуы мүмкін. Мұндай эпигенетикалық іздер тәуелділікте табылған тұрақты эпигенетикалық өзгерістерге ықпал етеді деп саналады.
Оқу мен есте сақтаудағы транскрипцияны реттеу
Сүтқоректілерде цитозиннің метилирленуі (суретті қараңыз) ДНК-дағы маңызды реттегіш механизм болып табылады. Метилирленген цитозиндер көбінесе цитозиннен кейін гуанин орналасқан динуклеотидтік тізбектерде кездеседі, бұл CpG сайты болып табылады. Адам геномындағы жалпы CpG сайттарының саны шамамен 28 миллионға жетеді, ал барлық CpG сайттарының шамамен 70% метилирленген цитозинге ие. Тышқанда, жағымсыз оқу тәжірибесі – қорқыныш жағдайының шарттануы, бір рет оқытудан кейін өмір бойына сақталатын қорқыныш жадының қалыптасуына әкелуі мүмкін. Тышқанның гиппокамп нейронының ДНК-сындағы гендердің шамамен 9,17% промоторлық аймақтарында цитозин метилирлеуі, қысқа мерзімді қорқыныш жағдайының шарттануына ұшырағанда өзгереді. Гиппокамп – жаңа жадтардың алғаш рет сақталанатын орны. Геннің промоторлық аймағындағы CpG-нің метилирленуі транскрипцияны басады, ал ген денесіндегі CpG-нің метилирленуі экспрессияны арттырады. ТЕТ ферменттері метилденген цитозиндердің деметилденуіне орталық рөл атқарады. ТЕТ ферментінің активтілігі арқылы ген промоторындағы CpG-нің деметилденуі геннің транскрипциясын арттырады. Тышқанға контексттік қорқыныш жағдайын шарттағанда, гиппокампта шарттанудан кейін бір сағаттан соң және 24 сағаттан соң тышқанның гиппокамп нейрон геномында 500 нуклеотидтен тұратын 5000-нан астам дифференциалды метилирленген аймақтар (DMR) пайда болады. Мұндай 3' UTR-лар микроРНК (miRNA) және реттегіш ақуыздар үшін байланыс орындарын жиі қамтиды. 3' UTR-дағы белгілі бір орындарға байланысу арқылы miRNA әртүрлі mRNA-лардың гендік экспрессиясын трансляцияны тежеу немесе транскрипттың тікелей ыдырауы арқылы төмендетуі мүмкін. 3' UTR-да мРНК экспрессиясын тежейтін репрессорлық ақуыздарға байланысатын үнсіздендіруші аймақтар да болуы мүмкін. 3' UTR жиі miRNA жауап элементтерін (MRE) қамтиды. MRE – miRNA-лардың байланысатын тізбектер. Бұл 3' UTR-да кең таралған мотивтер. 3' UTR-дағы барлық реттегіш мотивтердің (мысалы, үнсіздендіруші аймақтарды қоса алғанда) арасында MRE мотивтері шамамен жартысын құрайды. 2014 жылғы мәліметтер бойынша, miRBase веб-сайтында (miRNA тізбектері мен түсіндірмелерінің архиві) 233 биологиялық түрде 28 645 жазба тізімделген. Олардың ішінде 1 881 miRNA аннотацияланған адам miRNA локустарында болды. miRNA-ның орта есеппен шамамен төрт жүздей мақсатты mRNA-ға ие болуы болжалданды (бірнеше жүз геннің экспрессиясына әсер етеді). Фридман және авторлар. Басқа эксперименттер бір miRNA жүздеген белоктардың өндірісін басып тастауға қабілетті екенін, бірақ бұл басу көбінесе салыстырмалы түрде жұмсақ (2 еседен аз) екенін көрсетті. miRNA-ның ген экспрессиясын бұзудың әсері қатерлі ісіктерде маңызды болып көрінеді. Мысалы, асқазан-ішек жолдарының қатерлі ісігінде 2015 жылғы мақалада тоғыз miRNA эпигенетикалық түрде өзгергені және ДНК жөндеу ферменттерін төмендетуде тиімді екені анықталды. miRNA-ның ген экспрессиясын бұзудың әсері шизофрения, екіполярлы бұзылу, үлкен депрессиялық бұзылу, Паркинсон ауруы, Альцгеймер ауруы және аутизм спектріндегі бұзылулар сияқты нейропсихиатриялық бұзылуларда да маңызды болып көрінеді.
Аударманы реттеу
МРНК аудармасы бірқатар механизмдер арқылы, көбінесе басталу деңгейінде реттелуі мүмкін. Шындығында, кіші рибосомалық суббірліктің тартылуы мРНК екінші құрылымы, антисенс РНК байланысы немесе белок байланысы арқылы өзгертілуі мүмкін. Прокариоттар мен эукариоттарда РНК-мен байланысатын көптеген ақуыздар бар, олар көбінесе транскрипттың екінші құрылымы арқылы мақсатты тізбегіне бағытталады, бұл құрылым температураға немесе лигандтың (аптамер) болуы сияқты жағдайларға байланысты өзгеруі мүмкін. Кейбір транскрипттер рибозимдер ретінде әрекет етеді және өздерінің экспрессиясын өздігінен реттейді.
Гендік реттеудің мысалдары
Энзимдік индукция – молекуланың (мысалы, дәрі) ферменттің экспрессиясын индукциялайтын (яғни, бастайтын немесе күшейтетін) процесс. Жеміс шыбынында (Drosophila melanogaster) жылулық шок ақуыздарының индукциясы. Лак опероны – ген экспрессиясының қалай реттелетінінің қызықты мысалы. Вирустар, тек бірнеше генге ие болғанына қарамастан, өз гендік экспрессиясын реттеуге қабілетті, әдетте ерте және кеш фазаларға бөлінеді, антитерминаторлар (ламбда фагы) немесе сплайсинг модуляторлары (АИТВ) арқылы реттелетін коллинеарлық жүйелерді пайдаланады. Gal4 – GAL1, GAL7 және GAL10 (барлығы да ашытқыдағы галактоза метаболизмін кодтайтын) экспрессиясын басқаратын транскрипциялық активатор. GAL4/UAS жүйесі ген экспрессиясын зерттеу үшін түрлі филумдарға жататын әртүрлі организмдерде қолданылған.
Жоғары және төмен реттеу
Жоғары реттеу – бұл жасуша ішіндегі, жасушаның ішкі немесе сыртқы ортасынан туындайтын сигналға жауап ретінде бір немесе бірнеше геннің экспрессиясының және олар кодтайтын ақуыздардың өсуіне әкелетін процесс. Керісінше, төменгі реттеу – геннің және сәйкес ақуыз экспрессиясының төмендеуіне алып келетін процесс. Мысалы, жасушада белгілі бір рецептор жетіспесе, жоғары реттеу жүреді. Мұндай жағдайда, рецептор ақуызы көбірек синтезделіп, жасуша мембранасына тасымалданады, соның нәтижесінде жасушаның сезімталдығы қалыпқа келіп, гомеостаз қалпына келтіріледі. Төменгі реттеу, мысалы, жасуша нейротрансмиттер, гормон немесе дәрі-дәрмек әсерінен ұзақ уақыт бойы күшті ынталандырылған кезде пайда болады, бұл жасушаны қорғау мақсатында рецептор ақуызының экспрессиясын төмендетуге әкеледі (тахифилаксияға да қараңыз).