Введение

Механизмы, используемые клетками для увеличения или уменьшения производства специфических генных продуктов.

Регуляция экспрессии генов, или генная регуляция, включает широкий спектр механизмов, которые клетки используют для увеличения или уменьшения производства специфических генных продуктов (белков или РНК). Сложные программы экспрессии генов широко распространены в биологии, например, для запуска путей развития, реагирования на внешние стимулы или адаптации к новым источникам пищи. Практически любой этап экспрессии генов может быть модулирован, от инициации транскрипции до обработки РНК и посттрансляционной модификации белка. Часто один регулятор гена контролирует другой, и так далее, образуя сеть регуляции генов. Генная регуляция необходима для вирусов, прокариот и эукариот, поскольку она повышает универсальность и адаптивность организма, позволяя клетке экспрессировать белок по мере необходимости. Хотя еще в 1951 году Барбара Макклинток показала взаимодействие между двумя генетическими локусами, Активатором (Ac) и Диссоциатором (Ds), в формировании цвета семян кукурузы, первым открытием системы генной регуляции обычно считается идентификация в 1961 году лак-оперона, обнаруженного Франсуа Жакобом и Жаком Монодом, в котором некоторые ферменты, участвующие в метаболизме лактозы, экспрессируются *E. coli* только в присутствии лактозы и при отсутствии глюкозы. В многоклеточных организмах генная регуляция управляет клеточной дифференцировкой и морфогенезом в эмбрионе, приводя к созданию различных типов клеток, обладающих различными профилями экспрессии генов из одной и той же последовательности генома. Хотя это не объясняет, как возникла генная регуляция, эволюционные биологи включают ее в качестве частичного объяснения того, как эволюция работает на молекулярном уровне, и она является центральной для науки эволюционной биологии развития ("эво-дево").

Модификация ДНК

У эукариот доступность больших участков ДНК может зависеть от структуры хроматина, которая может изменяться в результате модификаций гистонов, направляемых метилированием ДНК, некодирующими РНК или белками, связывающими ДНК. Таким образом, эти модификации могут повышать или понижать экспрессию гена. Некоторые из этих модификаций, регулирующих экспрессию генов, являются наследуемыми и называются эпигенетической регуляцией.

Структурные

Транскрипция ДНК определяется ее структурой. В общем случае, плотность упаковки ДНК указывает на частоту транскрипции. Октамерные белковые комплексы, называемые гистонами, вместе с сегментом ДНК, намотанным на восемь гистонных белков (вместе именуемыми нуклеосомой), отвечают за степень суперспирализации ДНК, и эти комплексы могут временно модифицироваться, например, посредством фосфорилирования, или более устойчиво – посредством метилирования. Такие модификации рассматриваются как причина более или менее постоянных изменений в уровнях экспрессии генов.

Химические

Метилирование ДНК – распространенный метод подавления генов. ДНК обычно метилируется метилтрансферазными ферментами на нуклеотидах цитозина в последовательности динуклеотидов CpG (также называемых "островами CpG", когда они плотно сгруппированы). Анализ картины метилирования в заданном регионе ДНК (который может быть промотором) может быть осуществлен методом, называемым бисульфитной картой. Метилированные остатки цитозина не изменяются при обработке, в то время как неметилированные превращаются в урацил. Различия анализируются секвенированием ДНК или методами, разработанными для количественного определения однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), такими как пиросеквенирование (Biotage) или MassArray (Sequenom), путем измерения относительного количества C/T в динуклеотиде CG. Аномальные паттерны метилирования, как считается, вовлечены в онкогенез. Ацетилирование гистонов также является важным процессом в транскрипции. Ферменты гистон ацетилтрансферазы (HAT), такие как CREB-связывающий белок, также способствуют диссоциации ДНК от гистонного комплекса, позволяя транскрипции протекать. Часто метилирование ДНК и деацетилирование гистонов работают совместно в подавлении генов. Комбинация этих двух процессов, по-видимому, служит сигналом для более плотной упаковки ДНК, что приводит к снижению экспрессии генов.

Регулирование транскрипции

Таким образом, регуляция транскрипции контролирует время начала транскрипции и количество образующейся РНК. Транскрипция гена РНК-полимеразой может регулироваться несколькими механизмами. Факторы специфичности изменяют специфичность РНК-полимеразы к данному промотору или набору промоторов, повышая или понижая вероятность её связывания с ними (например, сигма-факторы, используемые в прокариотической транскрипции). Репрессоры связываются с оператором – кодирующими последовательностями на нити ДНК, расположенными вблизи или перекрывающими промоторную область, – препятствуя продвижению РНК-полимеразы вдоль нити и, следовательно, экспрессии гена. На изображении справа показана регуляция с помощью репрессора в лак-опероне. Общие факторы транскрипции позиционируют РНК-полимеразу в начале кодирующей последовательности белка, а затем освобождают полимеразу для транскрипции мРНК. Активаторы усиливают взаимодействие между РНК-полимеразой и конкретным промотором, стимулируя экспрессию гена. Они делают это, увеличивая сродство РНК-полимеразы к промотору посредством взаимодействия с субъединицами РНК-полимеразы или косвенно, изменяя структуру ДНК. Усилители – это участки ДНК, к которым связываются активаторы, вызывая петлеобразование ДНК и приближение конкретного промотора к инициационному комплексу. Усилители гораздо более распространены у эукариот, чем у прокариот, где известно лишь несколько примеров (на сегодняшний день). Сайленсеры – это области последовательностей ДНК, которые, при связывании с определенными факторами транскрипции, способны подавлять экспрессию гена.

Регулирование РНК

РНК может быть важным регулятором активности генов, например, микроРНК (миРНК), антисенсовой РНК или длинной некодирующей РНК (lncRNA). LncRNA отличаются от мРНК тем, что обладают специфическими субклеточными локализациями и функциями. Впервые они были обнаружены в ядре и хроматине, а их локализации и функции сейчас чрезвычайно разнообразны. Некоторые по-прежнему находятся в хроматине, где взаимодействуют с белками. В то время как определенные lncRNA в конечном итоге влияют на экспрессию генов при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера, другие, например, PNCTR (pyrimidine rich non-coding transcript), играют роль в раке легких. Учитывая их роль в развитии заболеваний, lncRNA являются потенциальными биомаркерами и могут служить перспективными мишенями для лекарств или генной терапии, хотя на данный момент не существует одобренных препаратов, воздействующих на lncRNA. Количество lncRNA в геноме человека остается недостаточно изученным, однако по некоторым оценкам оно варьируется от 16 000 до 100 000 генов lnc.

Эпигенетическая регуляция генов

Эпигенетика – это модификация генов, не сопровождающаяся изменением последовательности ДНК или РНК. Эпигенетические модификации также играют ключевую роль в регуляции экспрессии генов. Они происходят на уровне геномной ДНК и гистонов, а их химические изменения регулируют экспрессию генов более эффективным способом. В клетках млекопитающих существует несколько модификаций ДНК (обычно метилирование) и более 100 модификаций РНК. Эти модификации приводят к изменению связывания белков с ДНК, а также к изменению стабильности РНК и эффективности трансляции.

Регулирование транскрипции при раке

У позвоночных большинство промоторов генов содержат CpG-остров с многочисленными CpG-сайтами. Когда многие CpG-сайты промотора гена метилированы, ген становится неактивным. Колоректальные раки обычно характеризуются 3-6 драйверными мутациями и 33-66 мутациями-пассажирами. Однако транскрипционное подавление может играть более важную роль, чем мутации, в прогрессировании рака. Например, при колоректальном раке около 600-800 генов подвергаются транскрипционному подавлению посредством метилирования CpG-острова (см. Регуляция транскрипции при раке). Транскрипционная репрессия при раке может также происходить посредством других эпигенетических механизмов, таких как изменение экспрессии микроРНК. При раке молочной железы транскрипционная репрессия BRCA1 может возникать чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК 182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке молочной железы и яичников).

Регулирование транскрипции при наркомании

Одной из ключевых особенностей зависимости является её устойчивость. Постоянные изменения в поведении, по-видимому, обусловлены длительными изменениями, возникающими в результате эпигенетических модификаций, влияющих на экспрессию генов в определенных областях мозга. Психоактивные вещества вызывают три типа эпигенетических изменений в мозге: (1) ацетилирование и метилирование гистонов, (2) метилирование ДНК в CpG-сайтах и (3) эпигенетическое подавление или активация микроРНК. (Подробности см. в разделе «Эпигенетика кокаиновой зависимости»). Хроническое употребление никотина у мышей изменяет эпигенетический контроль экспрессии генов в клетках мозга посредством ацетилирования гистонов. Это повышает экспрессию в мозге белка FosB, важного в развитии зависимости. Зависимость от сигарет также изучалась примерно на 16 000 людях, включая никогда не куривших, текущих курильщиков и тех, кто бросил курить до 30 лет назад. В клетках крови у текущих курильщиков часто изменялось метилирование более чем в 18 000 CpG-сайтов (из примерно 450 000 проанализированных CpG-сайтов в геноме). Эти CpG-сайты располагались в более чем 7000 генах, что составляет примерно треть известных человеческих генов. Большинство дифференциально метилированных CpG-сайтов вернулись к уровню никогда не куривших в течение пяти лет после прекращения курения. Однако 2568 CpG-сайтов в 942 генах оставались дифференциально метилированными у бывших курильщиков по сравнению с никогда не курившими. Такие остаточные эпигенетические изменения можно рассматривать как «молекулярные шрамы». Метамфетамин, алкоголь и табачный дым – все они вызывают повреждение ДНК в мозге. В процессе восстановления повреждений ДНК некоторые отдельные события репарации могут изменять метилирование ДНК и/или ацетилирование или метилирование гистонов в местах повреждения, тем самым способствуя образованию эпигенетического шрама на хроматине. Эти эпигенетические шрамы, вероятно, вносят вклад в устойчивые эпигенетические изменения, наблюдаемые при зависимости.

Регулирование транскрипции в обучении и памяти

У млекопитающих метилирование цитозина (см. рисунок) в ДНК является основным регуляторным посредником. Метилированные цитозины в основном встречаются в динуклеотидных последовательностях, где за цитозином следует гуанин, – сайт CpG. Общее количество сайтов CpG в геноме человека составляет приблизительно 28 миллионов, и, как правило, около 70% всех сайтов CpG содержат метилированный цитозин. У крысы болезненный опыт обучения, контекстная обусловленность страхом, может привести к пожизненной страшной памяти после одного тренировочного события. Метилирование цитозина изменяется в промоторных областях примерно 9,17% всех генов в ДНК нейрона гиппокампа крысы, подвергшейся краткому опыту обусловленного страха. В гиппокампе первоначально хранятся новые воспоминания. Метилирование CpG в промоторной области гена подавляет транскрипцию, в то время как метилирование CpG в теле гена увеличивает экспрессию. ТЭТ-ферменты играют центральную роль в деметилировании метилированных цитозинов. Деметилирование CpG в генном промоторе активностью фермента TET увеличивает транскрипцию гена. При применении контекстной обусловленности страха к крысе, более 5000 дифференциально метилированных областей (DMRs) (по 500 нуклеотидов каждая) возникают в нейронном геноме гиппокампа крысы как через час, так и через 24 часа после обусловленности в гиппокампе. Такие 3'-UTR часто содержат как места связывания микроРНК (миРНК), так и регуляторных белков. Связываясь с определенными участками в 3'-UTR, миРНК могут уменьшать экспрессию генов различных мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо непосредственно вызывая деградацию транскрипта. 3'-UTR также может содержать сайленсеры, которые связывают репрессорные белки, ингибирующие экспрессию мРНК. 3'-UTR часто содержит элементы ответа на миРНК (MREs). MREs – это последовательности, к которым связываются миРНК. Это распространенные мотивы в 3'-UTR. Среди всех регуляторных мотивов в 3'-UTR (например, включая сайленсеры), MREs составляют около половины мотивов. По состоянию на 2014 год веб-сайт miRBase, архив последовательностей и аннотаций миРНК, содержал 28 645 записей, относящихся к 233 биологическим видам. Из них 1881 миРНК находились в аннотированных локусах миРНК человека. Предполагалось, что миРНК имеют в среднем около четырехсот целевых мРНК (влияющих на экспрессию нескольких сотен генов). Фридман и др. Другие эксперименты показывают, что одна миРНК может подавлять продукцию сотен белков, но это подавление часто относительно умеренное (менее чем в 2 раза). Эффекты дисрегуляции экспрессии генов миРНК, по-видимому, важны при раке. Например, в случае рака желудочно-кишечного тракта, в статье 2015 года было выявлено девять миРНК, которые эпигенетически изменены и эффективно снижают регуляцию ферментов восстановления ДНК. Эффекты дисрегуляции экспрессии генов миРНК также, по-видимому, важны при нейропсихиатрических расстройствах, таких как шизофрения, биполярное расстройство, тяжелое депрессивное расстройство, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра.

Правила перевода

Трансляция мРНК также может контролироваться рядом механизмов, главным образом на уровне инициации. Действительно, рекрутирование малой рибосомальной субъединицы может модулироваться вторичной структурой мРНК, связыванием антисмысловой РНК или связыванием белков. Как у прокариот, так и у эукариот существует большое количество белков, связывающих РНК, которые часто направляются к своей целевой последовательности вторичной структурой транскрипта, которая может изменяться в зависимости от определенных условий, таких как температура или присутствие лиганда (аптамера). Некоторые транскрипты функционируют как рибозимы и саморегулируют свою экспрессию.

Примеры регуляции генов

Индукция фермента – это процесс, в котором молекула (например, лекарственное средство) индуцирует (то есть запускает или усиливает) экспрессию фермента. Индукция белков теплового шока у плодовой мушки Drosophila melanogaster. Оперон Lac – интересный пример того, как может регулироваться экспрессия генов. Вирусы, несмотря на небольшое количество генов, обладают механизмами регулирования экспрессии своих генов, обычно разделяя этот процесс на раннюю и позднюю фазы, используя коллинеарные системы, регулируемые антитерминаторами (фаг лямбда) или модуляторами сплайсинга (ВИЧ). Gal4 – это транскрипционный активатор, который контролирует экспрессию генов GAL1, GAL7 и GAL10 (все они кодируют ферменты метаболизма галактозы у дрожжей). Система GAL4/UAS использовалась в различных организмах, принадлежащих к разным типам, для изучения экспрессии генов.

Повышение и снижение регулирования

Регулирование вверх – это процесс, происходящий внутри клетки под воздействием сигнала (возникающего внутри или вне клетки), который приводит к увеличению экспрессии одного или нескольких генов и, как следствие, белков, кодируемых этими генами. В противоположность этому, регулирование вниз – это процесс, приводящий к снижению экспрессии генов и соответствующих белков. Регулирование вверх происходит, например, когда клетке не хватает определенного типа рецептора. В этом случае синтезируется большее количество рецепторного белка и он транспортируется к мембране клетки, тем самым восстанавливая чувствительность клетки и возвращая ее к гомеостазу. Регулирование вниз происходит, например, когда клетка подвергается длительной чрезмерной стимуляции нейротрансмиттером, гормоном или лекарственным препаратом, и экспрессия рецепторного белка снижается для защиты клетки (см. также тахифилаксис).