Введение
Преобразование последовательности гена в зрелый генный продукт или продукты. Экспрессия гена – это процесс, посредством которого информация из гена используется в синтезе функционального генного продукта, обеспечивающего производство конечных продуктов – белков или некодирующих РНК, и в конечном итоге влияющего на фенотип. Эти продукты часто являются белками, но в генах, не кодирующих белки, таких как транспортная РНК (тРНК) и малая ядерная РНК (snRNA), продуктом является функциональная некодирующая РНК. Процесс экспрессии генов используется всеми известными формами жизни – эукариотами (включая многоклеточные организмы), прокариотами (бактериями и археями) и вирусами – для создания макромолекулярного аппарата, необходимого для жизни. В генетике экспрессия генов является наиболее фундаментальным уровнем, на котором генотип определяет фенотип, то есть наблюдаемый признак. Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, представляет генотип, в то время как фенотип является результатом «интерпретации» этой информации. Такие фенотипы часто проявляются посредством синтеза белков, контролирующих структуру и развитие организма, или выступающих в роли ферментов, катализирующих специфические метаболические пути. Все этапы процесса экспрессии генов могут быть модулированы (регулированы), включая транскрипцию, сплайсинг РНК, трансляцию и посттрансляционную модификацию белка. Регулирование экспрессии генов обеспечивает контроль над временем, местоположением и количеством данного генного продукта (белка или нкРНК) в клетке и может оказывать глубокое влияние на клеточную структуру и функцию. Регулирование экспрессии генов лежит в основе клеточной дифференцировки, развития, морфогенеза, универсальности и адаптивности любого организма. Таким образом, регуляция генов может служить основой для эволюционных изменений.
Gene expression is the process by which information from a gene is used in the synthesis of a functional gene product that enables it to produce end products, proteins or non coding RNA, and ultimately affect a phenotype. These products are often proteins, but in non protein coding genes such as transfer RNA (tRNA) and small nuclear RNA (snRNA), the product is a functional non coding RNA. The process of gene expression is used by all known life—eukaryotes (including multicellular organisms), prokaryotes (bacteria and archaea), and utilized by viruses—to generate the macromolecular machinery for life. In genetics, gene expression is the most fundamental level at which the genotype gives rise to the phenotype, i. e. observable trait. The genetic information stored in DNA represents the genotype, whereas the phenotype results from the "interpretation" of that information. Such phenotypes are often displayed by the synthesis of proteins that control the organism's structure and development, or that act as enzymes catalyzing specific metabolic pathways. All steps in the gene expression process may be modulated (regulated), including the transcription, RNA splicing, translation, and post translational modification of a protein. Regulation of gene expression gives control over the timing, location, and amount of a given gene product (protein or ncRNA) present in a cell and can have a profound effect on the cellular structure and function. Regulation of gene expression is the basis for cellular differentiation, development, morphogenesis and the versatility and adaptability of any organism. Gene regulation may therefore serve as a substrate for evolutionary change.
Транскрипция
Производство копии РНК из цепи ДНК называется транскрипцией и осуществляется РНК-полимеразами, которые добавляют один рибонуклеотид за раз к растущей цепи РНК в соответствии с законом комплементарности нуклеотидных оснований. Эта РНК комплементарна матричной цепи ДНК 3′ → 5′, за исключением того, что тимины (T) заменяются урацилами (U) в РНК и возможны ошибки. У бактерий транскрипция осуществляется одним типом РНК-полимеразы, которой для начала транскрипции необходимо связать последовательность ДНК, называемую коробкой Прибноу, с помощью белка сигма-фактора (σ-фактора). У эукариот транскрипция происходит в ядре при участии трех типов РНК-полимераз, каждой из которых для инициации процесса необходима специальная последовательность ДНК, называемая промотором, и набор белков, связывающих ДНК – факторы транскрипции (см. раздел «Регуляция транскрипции» ниже). РНК-полимераза I отвечает за транскрипцию генов рибосомной РНК (рРНК). РНК-полимераза II (Pol II) транскрибирует все гены, кодирующие белки, а также некоторые некодирующие РНК (например, snРНК, snoРНК или длинные некодирующие РНК). РНК-полимераза III транскрибирует 5S рРНК, гены транспортной РНК (тРНК) и некоторые малые некодирующие РНК (например, 7SK). Транскрипция завершается, когда полимераза встречает последовательность, называемую терминатором.
обработка мРНК
В то время как транскрипция прокариотических генов, кодирующих белки, создает РНК-посланник (мРНК), готовую к трансляции в белок, транскрипция генов эукариотов оставляет первичный транскрипт РНК (пре-РНК), который сначала должен пройти серию модификаций, чтобы стать зрелой РНК. Типы и этапы, вовлеченные в процессы созревания, различаются между кодирующими и некодирующими пре-РНК; то есть, даже если молекулы пре-РНК для мРНК и тРНК подвергаются сплайсингу, этапы и механизмы, участвующие в этом, различны. Обработка некодирующей РНК описана ниже (созревание некодирующей РНК). Обработка пре-мРНК включает 5'-кэпирование, которое представляет собой набор ферментативных реакций, добавляющих 7-метилгуанозин (m7G) к 5'-концу пре-мРНК и тем самым защищающих РНК от деградации экзонуклеазами. m7G-кэп затем связывается с гетеродимерным комплексом связывания с кэпом (CBC20/CBC80), который способствует экспорту мРНК в цитоплазму и также защищает РНК от декапирования. Другая модификация – 3'-расщепление и полиаденилирование. Они происходят, если в пре-мРНК присутствует последовательность полиаденилирования (5′ AAUAAA 3′), которая обычно находится между кодирующей последовательностью белка и терминатором. Пре-мРНК сначала расщепляется, а затем добавляется серия из ~200 аденинов (A) для формирования поли(A)-хвоста, который защищает РНК от деградации. Поли(A)-хвост связывается с множеством поли(A)-связывающих белков (PABP), необходимых для экспорта мРНК и повторной инициации трансляции. В обратном процессе деаденилирования поли(A)-хвосты укорачиваются CCR4-Not 3′–5′ экзонуклеазой, что часто приводит к полному распаду транскрипта. Очень важной модификацией эукариотической пре-мРНК является сплайсинг РНК. Большинство эукариотических пре-мРНК состоит из чередующихся сегментов, называемых экзонами и интронами. В процессе сплайсинга РНК-белковый каталитический комплекс, известный как сплайсосома, катализирует две реакции трансэстерификации, которые удаляют интрон и высвобождают его в форме лариата, а затем соединяют соседние экзоны вместе. В некоторых случаях некоторые интроны или экзоны могут быть либо удалены, либо сохранены в зрелой мРНК. Этот так называемый альтернативный сплайсинг создает серию различных транскриптов, происходящих из одного гена. Поскольку эти транскрипты могут быть потенциально транслированы в различные белки, сплайсинг расширяет сложность экспрессии генов эукариотов и размер протеома вида. Обширная обработка РНК может быть эволюционным преимуществом, ставшим возможным благодаря ядру эукариотов. У прокариот транскрипция и трансляция происходят одновременно, в то время как у эукариот ядерная мембрана разделяет эти два процесса, давая время для обработки РНК.
Степень созревания некодирующей РНК
В большинстве организмов некодирующие гены (нкРНК) транскрибируются в виде предшественников, которые подвергаются дальнейшей обработке. В случае рибосомных РНК (рРНК) они часто транскрибируются как пре-рРНК, содержащая одну или несколько рРНК. Пре-рРНК расщепляется и модифицируется (2'-O-метилирование и образование псевдоуридина) в определенных участках примерно 150 различными видами малых нуклеолярных РНК, называемых snoРНК. snoРНК ассоциируют с белками, формируя snoРНП. В то время как часть snoРНК комплементарно спаривается с целевой РНК и таким образом позиционирует модификацию в точном месте, белковая часть выполняет каталитическую реакцию. У эукариот, в частности, snoРНП, называемый RNase MRP, расщепляет пре-рРНК 45S в рРНК 28S, 5.8S и 18S. рРНК и факторы обработки РНК формируют крупные агрегаты, называемые ядрышком. В случае транспортной РНК (тРНК), например, 5'-последовательность удаляется РНКазой P, в то время как 3'-конец удаляется ферментом tRNase Z, а нешаблонный 3'-хвост CCA добавляется нуклеотидилтрансферазой. В случае микроРНК (миРНК), миРНК сначала транскрибируются в виде первичных транскриптов или pri-миРНК с кэпом и поли(А)-хвостом и затем обрабатываются в короткие структуры типа «шпилька-петля» из 70 нуклеотидов, известные как pre-миРНК, в ядре клетки ферментами Drosha и Pasha. После экспорта они обрабатываются до зрелых миРНК в цитоплазме путем взаимодействия с эндонуклеазой Dicer, которая также инициирует формирование комплекса индуцированного РНК-подавления (RISC), состоящего из белка Argonaute. Даже сами snРНК и snoРНК подвергаются серии модификаций, прежде чем стать частью функционального РНП-комплекса. Это происходит либо в нуклеоплазме, либо в специализированных компартментах, называемых телами Кажаля. Их основания метилируются или псевдоуридинилируются группой малых РНК, специфичных для тел Кажаля (scaРНК), которые структурно похожи на snoРНК.
Экспорт РНК
У эукариот большинство зрелой РНК должно быть экспортировано из ядра в цитоплазму. Хотя некоторые РНК функционируют в ядре, многие РНК транспортируются через ядерные поры и в цитозоль. Экспорт РНК требует ассоциации со специфическими белками, известными как экспортины. Определенные молекулы экспортинов отвечают за экспорт конкретного типа РНК. Транспорт мРНК также требует правильной ассоциации с комплексом экзонных соединений (EJC), что обеспечивает завершение корректной обработки мРНК перед экспортом. В некоторых случаях РНК дополнительно транспортируются в определенную часть цитоплазмы, например, в синапс, где их доставляют моторные белки, связывающиеся через линкерные белки с определенными последовательностями на РНК, называемыми "zipcodes".
Перевод
Для некоторых некодирующих РНК зрелая РНК является конечным продуктом гена. В случае РНК-мессенджера (мРНК) РНК служит носителем информации, кодирующим синтез одного или нескольких белков. мРНК, несущая одну последовательность белка (распространенно у эукариотов), называется моноцистронной, а мРНК, несущая несколько последовательностей белка (распространенно у прокариотов) – полицистронной. Каждая мРНК состоит из трех частей: 5'-нетранслируемой области (5'-UTR), кодирующей области белка или открытой рамки считывания (ORF) и 3'-нетранслируемой области (3'-UTR). Кодирующая область содержит информацию для синтеза белка, закодированную генетическим кодом в виде триплетов. Каждый триплет нуклеотидов в кодирующей области называется кодоном и соответствует связывающему участку, комплементарному триплету антикодона в транспортной РНК (тРНК). тРНК с одинаковой последовательностью антикодона всегда несут один и тот же тип аминокислоты. Аминокислоты затем соединяются вместе рибосомой в соответствии с порядком триплетов в кодирующей области. Рибосома помогает тРНК связываться с мРНК и извлекает аминокислоту из каждой тРНК, формируя из них полипептидную цепь. Каждая молекула мРНК транслируется в множество молекул белка, в среднем около 2800 у млекопитающих. У прокариот трансляция обычно происходит в месте транскрипции (котранскрипционно), часто с использованием мРНК, которая все еще находится в процессе синтеза. У эукариот трансляция может происходить в различных областях клетки, в зависимости от того, где должен быть синтезирован белок. Основные локализации – цитоплазма для растворимых цитоплазматических белков и мембрана эндоплазматической сети для белков, предназначенных для экспорта из клетки или включения в клеточную мембрану. Белки, которые должны быть синтезированы в эндоплазматической сети, распознаются в середине процесса трансляции. Этот процесс регулируется сигнальной частицей распознавания – белком, который связывается с рибосомой и направляет ее к эндоплазматической сети при обнаружении сигнального пептида на растущей (молодой) цепи аминокислот.
Складывание
Каждый белок существует в виде развернутого полипептида или случайной катушки при трансляции из последовательности мРНК в линейную цепь аминокислот. Этот полипептид не имеет развитой трехмерной структуры (левая сторона на соседнем рисунке). Затем полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайной катушки. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, формируя четко определенную трехмерную структуру, сложенный белок (правая сторона на рисунке), известный как нативное состояние. Получившаяся трехмерная структура определяется последовательностью аминокислот (догма Анфинсена). Правильная трехмерная структура необходима для функционирования, хотя некоторые части функциональных белков могут оставаться развернутыми. Нарушение правильного сворачивания обычно приводит к образованию неактивных белков с измененными свойствами, включая токсичные прионы. Считается, что ряд нейродегенеративных и других заболеваний возникают из-за накопления неправильно свернутых белков. Многие аллергии вызываются особенностями сворачивания белков, поскольку иммунная система не вырабатывает антитела к определенным белковым структурам. Ферменты, называемые шаперонами, помогают новообразованным белкам достигать (сворачиваться в) необходимую для функционирования трехмерную структуру. Аналогично, РНК-шапероны помогают РНК приобретать их функциональные формы. Поддержание правильного сворачивания белков – одна из основных функций эндоплазматической сети у эукариот.
Перемещение
Секреторные белки эукариот или прокариот должны быть транслоцированы для попадания в секреторный путь. Новосинтезированные белки направляются к эукариотическому каналу транслокации Sec61 или прокариотическому каналу транслокации SecYEG сигнальными пептидами. Эффективность секреции белка у эукариот в значительной степени зависит от используемого сигнального пептида.
Транспорт белка
Многие белки предназначены для других частей клетки, нежели цитозоль, и широкий спектр сигнальных последовательностей или (сигнальных пептидов) используется для направления белков к месту их назначения. У прокариот это обычно простой процесс из-за ограниченной компартментализации клетки. Однако у эукариот существует большое разнообразие различных механизмов таргетирования, обеспечивающих доставку белка в нужную органеллу. Не все белки остаются внутри клетки, и многие из них экспортируются, например, пищеварительные ферменты, гормоны и белки внеклеточного матрикса. У эукариот путь экспорта хорошо развит, и основным механизмом экспорта этих белков является транслокация в эндоплазматическую сеть, за которой следует транспорт через аппарат Гольджи.
Транскрипционное регулирование
Регулирование транскрипции можно разделить на три основных пути воздействия: генетический (прямое взаимодействие регуляторного фактора с геном), модуляционный – взаимодействие регуляторного фактора с транскрипционным аппаратом, и эпигенетический (неизменения последовательности ДНК, влияющие на транскрипцию). Прямое взаимодействие с ДНК – это самый простой и непосредственный способ, которым белок изменяет уровни транскрипции. Гены часто имеют несколько участков связывания белков вокруг кодирующей области, выполняющих специфическую функцию регулирования транскрипции. Существует множество классов регуляторных участков связывания ДНК, известных как энхансеры, изоляторы и сайленсеры. Механизмы регулирования транскрипции разнообразны: от блокирования ключевых участков связывания на ДНК для РНК-полимеразы до действия в качестве активатора и стимуляции транскрипции путем облегчения связывания РНК-полимеразы. Активность факторов транскрипции дополнительно модулируется внутриклеточными сигналами, вызывающими посттрансляционные модификации белка, включая фосфорилирование, ацетилирование или гликозилирование. Эти изменения влияют на способность фактора транскрипции связываться, прямо или косвенно, с промоторной ДНК, рекрутировать РНК-полимеразу или способствовать элонгации вновь синтезированной молекулы РНК. Ядерная мембрана у эукариот обеспечивает дополнительную регуляцию факторов транскрипции, определяя продолжительность их пребывания в ядре, что регулируется обратимыми изменениями в их структуре и связыванием с другими белками. Факторы окружающей среды или эндокринные сигналы могут вызывать модификацию регуляторных белков, запуская каскады внутриклеточных сигналов, которые приводят к регуляции экспрессии генов. Стало очевидно, что на транскрипцию оказывает значительное влияние не зависящее от последовательности ДНК воздействие. Эти эффекты называются эпигенетическими и включают в себя высшую организацию структуры ДНК, белки, связывающиеся с ДНК без специфичности к последовательности, и химическую модификацию ДНК. В целом, эпигенетические эффекты изменяют доступность ДНК для белков и, таким образом, модулируют транскрипцию. У эукариот структура хроматина, контролируемая гистонным кодом, регулирует доступ к ДНК, оказывая значительное влияние на экспрессию генов в эухроматиновых и гетерохроматиновых областях.
Усилители, факторы транскрипции, медиаторный комплекс и петли ДНК в транскрипции млекопитающих
Экспрессия генов у млекопитающих регулируется множеством цис-регуляторных элементов, включая основные промоторы и промоторные проксимальные элементы, расположенные вблизи мест начала транскрипции генов, выше по течению ДНК (к 5'-концу смысловой цепи). Другие важные цис-регуляторные модули локализуются в областях ДНК, удаленных от мест начала транскрипции. К ним относятся энхансеры, сайленсеры, изоляторы и элементы закрепления. Энхансеры и связанные с ними факторы транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. Энхансеры – это области генома, регулирующие гены. Они контролируют специфичные для типа клеток программы экспрессии генов, чаще всего, образуя петли на большие расстояния, чтобы оказаться в физической близости с промоторами целевых генов. Множественные энхансеры, каждый из которых часто отделен от целевого гена на десятки или сотни тысяч нуклеотидов, образуют петли с промоторами целевых генов и координируют свою работу для контроля экспрессии генов. Несколько факторов транскрипции, специфичных для клеточной функции (из примерно 1600 факторов транскрипции в клетке человека), обычно связываются с определенными мотивами на энхансере. Небольшая комбинация этих факторов транскрипции, связанных с энхансером, при приближении к промотору посредством петли ДНК, определяет уровень транскрипции целевого гена. Медиатор (комплекс, обычно состоящий из около 26 белков, образующих взаимодействующую структуру) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с энхансерной ДНК, непосредственно ферменту РНК-полимеразе II (pol II), связанному с промотором. Активные энхансеры обычно транскрибируются с обеих нитей ДНК РНК-полимеразами, действующими в двух разных направлениях, производя две eRNA, как показано на рисунке. Неактивный энхансер может быть связан с неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его, а активированный фактор транскрипции может затем активировать энхансер, к которому он привязан (см. маленькую красную звезду, обозначающую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с энхансером, на иллюстрации). Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК до активации транскрипции мРНК из целевого гена.
Метилирование и деметилирование ДНК в регуляции транскрипции
Метилирование ДНК – это широко распространенный механизм эпигенетического влияния на экспрессию генов, наблюдаемый у бактерий и эукариот, который играет роль в наследственном подавлении транскрипции и регуляции транскрипции. Метилирование чаще всего происходит на цитозине (см. рисунок). Метилирование цитозина преимущественно происходит в динуклеотидных последовательностях, где за цитозином следует гуанин – это CpG-сайт. Количество CpG-сайтов в геноме человека составляет около 28 миллионов. В зависимости от типа клетки, примерно 70% CpG-сайтов содержат метилированный цитозин. Метилирование цитозина в ДНК играет важную роль в регуляции экспрессии генов. Метилирование CpG в промоторной области гена обычно подавляет транскрипцию, а метилирование CpG в теле гена – увеличивает экспрессию. Ферменты TET играют центральную роль в деметилировании метилированных цитозинов. Деметилирование CpG в промоторе гена под действием фермента TET повышает транскрипцию гена.
Транскрипционная регуляция в обучении и памяти
У крысы контекстное обусловление страха (CFC) – болезненный опыт обучения. Всего один эпизод CFC может привести к формированию страха на всю жизнь. После эпизода CFC метилирование цитозина изменяется в промоторных областях примерно 9,17% всех генов в ДНК нейронов гиппокампа крысы. Гиппокамп – это место, где первоначально хранятся новые воспоминания. После CFC примерно 500 генов демонстрируют повышенную транскрипцию (часто из-за деметилирования CpG-сайтов в промоторной области), а около 1000 генов – пониженную транскрипцию (часто из-за образования 5-метилцитозина в CpG-сайтах промоторной области). Модель индуцированных и репрессированных генов в нейронах, по-видимому, обеспечивает молекулярную основу для формирования первой временной памяти об этом событии обучения в гиппокампе мозга крысы. Один из механизмов включает в себя направленную доставку короткой изоформы фермента деметилирования ДНК TET1, TET1s, примерно к 600 участкам генома. Направление осуществляется за счет ассоциации TET1s с белком EGR1, фактором транскрипции, важным для формирования памяти. Доставка TET1s к этим участкам инициирует деметилирование ДНК в этих местах, повышая регуляцию связанных генов. Второй механизм включает DNMT3A2, сплайс-изоформу ДНК-метилтрансферазы DNMT3A, которая добавляет метильные группы к цитозинам в ДНК. Эта изоформа индуцируется синаптической активностью, а ее место действия, по-видимому, определяется посттрансляционными модификациями гистонов (гистонный код). Полученные новые мРНК затем транспортируются частицами мРНП (неврональными гранулами) к синапсам нейронов, где они могут быть транслированы в белки, влияющие на активность синапсов. После CFC наблюдалась повышенная регуляция экспрессии гена BDNF, связанная с уменьшением метилирования CpG определенных внутренних промоторов гена, что коррелировало с обучением. Когда многие CpG-сайты промотора гена метилированы, ген становится неактивным. Колоректальные раки обычно имеют от 3 до 6 драйверных мутаций и от 33 до 66 мутаций-пассажиров. Однако транскрипционное подавление может быть более важным, чем мутации, в развитии рака. Например, при колоректальном раке около 600–800 генов транскрипционно подавляются метилированием CpG-островов (см. Регуляция транскрипции при раке). Транскрипционная репрессия при раке также может происходить посредством других эпигенетических механизмов, таких как измененная экспрессия микроРНК. При раке молочной железы транскрипционная репрессия BRCA1 может происходить чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК 182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке молочной железы и яичников).
Посттранскрипционная регуляция
У эукариот, где экспорт РНК необходим для начала трансляции, ядерный экспорт считается дополнительным механизмом контроля экспрессии генов. Весь транспорт в ядро и из него происходит через ядерные поры, а процесс контролируется широким спектром белков импортинов и экспортинов. Экспрессия гена, кодирующего белок, возможна только если матричная РНК (мРНК), несущая генетический код, сохраняется достаточно долго для трансляции. В типичной клетке молекула РНК стабильна только при условии специфической защиты от деградации. Деградация РНК играет особую роль в регуляции экспрессии в эукариотических клетках, где мРНК должна пройти значительное расстояние до места трансляции. У эукариот стабилизация РНК обеспечивается определенными посттранскрипционными модификациями, в частности, 5'-кэпом и полиадениловым хвостом. Намеренная деградация мРНК используется не только как защитный механизм против чужеродной РНК (обычно вирусной), но и как способ дестабилизации мРНК. Если молекула мРНК содержит последовательность, комплементарную короткой интерферирующей РНК, она становится мишенью для разрушения посредством пути РНК-интерференции.
Три первичные нетранслируемые области и микроРНК
Три непереведенные области (3′UTR) матричных РНК (мРНК) часто содержат регуляторные последовательности, которые посттранскрипционно влияют на экспрессию генов. Такие 3′-UTR часто содержат как сайты связывания микроРНК (миРНК), так и регуляторных белков. Связываясь со специфическими участками в 3′UTR, миРНК могут снижать 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 микроРНК (MRE). MRE – это последовательности, к которым связываются миРНК. Это распространенные мотивы в 3′UTR. Среди всех регуляторных мотивов в 3′-UTR (например, включая сайленсеры), MRE 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 два раза). Эффекты дерегуляции экспрессии генов миРНК представляются важными при раке. Например, при раке желудочно-кишечного тракта было выявлено девять миРНК, которые подверглись эпигенетическим изменениям и эффективно снижают регуляцию ферментов восстановления ДНК. Эффекты дерегуляции экспрессии генов миРНК также представляются важными при нейропсихиатрических расстройствах, таких как шизофрения, биполярное расстройство, тяжелая депрессия, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра.
Трансляционное регулирование
Прямая регуляция трансляции встречается реже, чем контроль транскрипции или стабильности мРНК, но иногда применяется. Ингибирование синтеза белка является важной мишенью для токсинов и антибиотиков, позволяя им уничтожать клетки, подавляя нормальный контроль экспрессии генов. К ингибиторам синтеза белков относятся антибиотик неомицин и токсин рицин.
Постпереводные изменения
Посттрансляционные модификации (ПТМ) — это ковалентные модификации белков. Подобно сплайсингу РНК, они значительно расширяют разнообразие протеома. Эти модификации обычно катализируются ферментами. Кроме того, процессы, такие как ковалентное присоединение к аминокислотным остаткам, часто могут быть обратимы под действием других ферментов. Однако некоторые, например, протеолитическое расщепление белковой цепи, являются необратимыми. ПТМ выполняют множество важных функций в клетке. Например, фосфорилирование в основном участвует в активации и деактивации белков, а также в сигнальных путях. ПТМ вовлечены в регуляцию транскрипции: важная функция ацетилирования и метилирования заключается в модификации хвостов гистонов, что влияет на доступность ДНК для транскрипции. Один тип ПТМ может инициировать другой тип ПТМ, что проявляется, например, в том, как убиквитинирование маркирует белки для деградации посредством протеолиза.
Измерение
Измерение экспрессии генов является важной частью многих наук о жизни, поскольку возможность количественно оценить уровень экспрессии конкретного гена в клетке, ткани или организме может предоставить ценную информацию. Например, измерение экспрессии генов позволяет:
Выявить вирусную инфекцию клетки (экспрессию вирусных белков). Определить предрасположенность человека к раку (экспрессию онкогенов). Установить, устойчива ли бактерия к пенициллину (экспрессию бета-лактамазы). Профилирование экспрессии генов оценивает набор генов, чтобы помочь понять фундаментальные механизмы клетки. Это все чаще используется в терапии рака для адресной химиотерапии. (Подробности см. в разделах RNA-Seq и ДНК-микроматрицы.) Аналогично, анализ локализации экспрессии белка является мощным инструментом, который можно применять как на уровне организма, так и на клеточном уровне. Исследование локализации особенно важно для изучения развития в многоклеточных организмах и в качестве индикатора функции белка в отдельных клетках. В идеале измерение экспрессии проводится путем обнаружения конечного продукта гена (для многих генов это белок); однако часто проще обнаружить один из предшественников, как правило, мРНК, и на основании этих измерений делать выводы об уровнях экспрессии генов.
Identify viral infection of a cell (viral protein expression). Determine an individual's susceptibility to cancer (oncogene expression). Find if a bacterium is resistant to penicillin (beta lactamase expression). Gene expression profiling evaluates a panel of genes to help understand the fundamental mechanism of a cell. This is increasingly used in cancer therapy to target specific chemotherapy. (See RNA Seq and DNA microarray for details.) Similarly, the analysis of the location of protein expression is a powerful tool, and this can be done on an organismal or cellular scale. Investigation of localization is particularly important for the study of development in multicellular organisms and as an indicator of protein function in single cells. Ideally, measurement of expression is done by detecting the final gene product (for many genes, this is the protein); however, it is often easier to detect one of the precursors, typically mRNA and to infer gene expression levels from these measurements.
Количественная оценка мРНК
Уровни мРНК могут быть количественно измерены с помощью северного блоттинга (northern blotting), который предоставляет информацию о размере и последовательности молекул мРНК. Образец РНК разделяется на геле агарозы и гибридизуется с радиоактивно меченым РНК-зондом, комплементарным целевой последовательности. Радиомеченная РНК затем обнаруживается с помощью авторадиограммы. Поскольку использование радиоактивных реагентов делает процедуру трудоемкой и потенциально опасной, были разработаны альтернативные методы мечения и обнаружения, такие как дигоксигенин и биотин. Воспринимаемым недостатком северного блоттинга является то, что требуется большое количество РНК и что количественное определение может быть не полностью точным, поскольку оно включает измерение интенсивности полосы на изображении геля. С другой стороны, дополнительная информация о размере мРНК, полученная с помощью северного блоттинга, позволяет различать альтернативно сплайсированные транскрипты. Другой подход для измерения обилия мРНК – RT-qPCR. В этой технике обратная транскрипция сопровождается количественной ПЦР. Обратная транскрипция сначала генерирует ДНК-шаблон из мРНК; этот одноцепочечный шаблон называется кДНК (cDNA). Затем кДНК-шаблон амплифицируется на количественном этапе, в ходе которого флуоресценция, излучаемая мечеными гибридизационными зондами или интеркалирующими красителями, изменяется по мере прогрессирования процесса амплификации ДНК. При тщательно построенной стандартной кривой qPCR может обеспечить абсолютное измерение количества копий исходной мРНК, обычно в единицах копий на нанолитр гомогенизированной ткани или копий на клетку. qPCR очень чувствителен (обнаружение одной молекулы мРНК теоретически возможно), но может быть дорогостоящим в зависимости от типа используемого репортера; флуоресцентно меченые олигонуклеотидные зонды дороже, чем неспецифические интеркалирующие флуоресцентные красители. Для профилирования экспрессии, или высокопроизводительного анализа многих генов в образце, количественная ПЦР может быть выполнена для сотен генов одновременно в случае массивов низкой плотности. Второй подход – гибридизация на микромассиве (microarray). Один массив или "чип" может содержать зонды для определения уровня транскрипта для каждого известного гена в геноме одного или нескольких организмов. В качестве альтернативы могут использоваться технологии "на основе тегов", такие как серийный анализ экспрессии генов (SAGE) и RNA-Seq, которые могут предоставить относительную меру клеточной концентрации различных мРНК. Преимуществом методов, основанных на тегах, является "открытая архитектура", позволяющая точно измерять любой транскрипт с известной или неизвестной последовательностью. Секвенирование нового поколения (NGS), такое как RNA-Seq, является еще одним подходом, производящим огромные объемы данных о последовательности, которые могут быть сопоставлены с референсным геномом. Хотя NGS сравнительно трудоемкий, дорогой и ресурсоемкий, он может идентифицировать однонуклеотидные полиморфизмы, варианты сплайсинга и новые гены, а также может использоваться для профилирования экспрессии в организмах, для которых доступно мало или отсутствует информация о последовательности.
РНК-профили в Википедии
Такие профили можно найти почти для всех белков, перечисленных в Википедии. Они генерируются организациями, такими как Институт геномики Научно-исследовательского фонда Novartis и Европейский институт биоинформатики. Дополнительную информацию можно найти, выполнив поиск в их базах данных (например, для транспортера GLUT4, изображенного здесь, см. ссылку). Эти профили показывают уровень экспрессии ДНК (и, следовательно, производимой РНК) конкретного белка в определенной ткани и соответствующим образом кодируются цветом на изображениях в блоке "Белок" справа на каждой странице Википедии.
Количественное определение белка
Для генов, кодирующих белки, уровень экспрессии можно непосредственно оценить рядом методов, имеющих явные аналогии с техниками количественной оценки мРНК. Один из наиболее распространенных методов – это вестерн-блоттинг (вестерн-блот) для интересующего белка. Он предоставляет информацию о размере белка, помимо его идентификации. Образец (часто клеточный лизат) разделяют на полиакриламидном геле, переносят на мембрану, а затем исследуют с помощью антитела к интересующему белку. Антитело может быть конъюгировано с флуорофором или хреновым пероксидазой для визуализации и/или количественного определения. Гелевая природа этого анализа снижает точность количественного определения, но позволяет выявлять последующие модификации белка, например, протеолиз или убиквитинирование, по изменениям в его размере.
корреляция мРНК-белок
Хотя транскрипция напрямую отражает экспрессию генов, количество копий молекул мРНК не всегда напрямую коррелирует с количеством молекул белка, синтезированных из мРНК. Количественное определение как белка, так и мРНК позволяет сопоставить эти два уровня. Регуляция на каждом этапе экспрессии генов может влиять на эту корреляцию, что демонстрируется на примере регуляции трансляции. Посттрансляционные факторы, такие как транспорт белка в клетках с выраженной полярностью, также могут оказывать влияние на измеренную корреляцию между мРНК и белком.
Локализация
Анализ экспрессии не ограничивается количественной оценкой; также может быть определена локализация. мРНК может быть обнаружена с помощью соответствующей маркированной комплементарной цепи мРНК, а белок – с помощью маркированных антител. Затем исследуемый образец наблюдается под микроскопом для определения местоположения мРНК или белка. Заменяя ген новой версией, слитой с маркером зеленого флуоресцентного белка или аналогичным, экспрессию можно непосредственно количественно оценить в живых клетках. Это выполняется с помощью визуализации с использованием флуоресцентного микроскопа. Очень сложно клонировать белок, слитый с GFP, в его нативное место в геноме, не влияя на уровни экспрессии, поэтому этот метод часто нельзя использовать для измерения эндогенной экспрессии генов. Однако он широко используется для измерения экспрессии гена, искусственно введенного в клетку, например, с помощью экспрессионного вектора. Слияние целевого белка с флуоресцентным репортером может значительно изменить поведение белка, включая его клеточную локализацию и уровень экспрессии. Иммуноферментный анализ (ELISA) работает путем использования антител, иммобилизованных на планшете для микротитрования, для захвата интересующих белков из образцов, добавленных в лунку. Используя детекционное антитело, конъюгированное с ферментом или флюорофором, количество связанного белка может быть точно измерено флюорометрическим или колориметрическим методом. Процесс детекции очень похож на Вестерн-блоттинг, но, избегая стадий с гелем, можно достичь более точной количественной оценки.
Система выражения
Экспрессионная система – это система, специально разработанная для производства желаемого продукта гена. Обычно это белок, хотя это может быть и РНК, такая как транспортная РНК или рибозим. Экспрессионная система состоит из гена, обычно закодированного в ДНК, и молекулярного механизма, необходимого для транскрипции ДНК в мРНК и трансляции мРНК в белок с использованием доступных реагентов. В самом широком смысле, это включает в себя каждую живую клетку, но этот термин чаще используется для обозначения экспрессии как лабораторного инструмента. Таким образом, экспрессионная система часто является искусственной в той или иной степени. Однако экспрессия – это фундаментально естественный процесс. Вирусы служат отличным примером, поскольку они реплицируются, используя клетку-хозяина как экспрессионную систему для вирусных белков и генома.
Индуцируемое выражение
Доксициклин также применяется в системах тетрациклиноконтролируемой транскрипционной активации "Tet-on" и "Tet-off" для регуляции экспрессии трансгенов в организмах и клеточных культурах.
В природе
В дополнение к этим биологическим инструментам, определенные естественным образом встречающиеся конфигурации ДНК (гены, промоторы, энхансеры, репрессоры) и сопутствующие механизмы называют системой экспрессии. Этот термин обычно применяется, когда ген или набор генов активируется при четко определенных условиях, например, простая система переключения на основе репрессора в ламбда-фаге и система lac-оператора у бактерий. Некоторые природные системы экспрессии используются напрямую или модифицируются для создания искусственных систем экспрессии, таких как системы Tet-on и Tet-off.
Генетические сети
Гены иногда рассматриваются как узлы в сети, где входными данными служат белки, такие как факторы транскрипции, а выходными – уровень экспрессии генов. Сам узел выполняет определенную функцию, а работа этих функций интерпретируется как своего рода обработка информации внутри клеток, определяющая клеточное поведение. Генетические сети также могут быть построены без формулирования явной причинно-следственной модели. Это часто происходит при создании сетей на основе больших наборов данных об экспрессии. Ковариация и корреляция экспрессии вычисляются на большой выборке образцов и измерений (часто данные транскриптома или протеома). Источником вариации может быть как эксперимент, так и естественные (наблюдательные) условия. Существует несколько способов построения сетей экспрессии генов, но один из распространенных подходов заключается в вычислении матрицы попарных корреляций экспрессии в различных условиях, в разные моменты времени или у разных индивидуумов, и преобразовании этой матрицы (после применения порогового значения) в графическое представление, в котором узлы представляют гены, транскрипты или белки, а ребра, соединяющие эти узлы, – силу ассоциации (см. GeneNetwork GeneNetwork 2).