Genų raiškos reguliacija prokariotuose ir eukariotuose

Kiekviena organizmo ląstelė (išskyrus lytines) turi tą patį pilną genetinės informacijos rinkinį – genomą. Tačiau akivaizdu, kad smegenų neuronas ir odos ląstelė atrodo ir veikia visiškai skirtingai. Kaip tai įmanoma?

Atsakymas – diferencinė genų raiška. Ląstelės nuolat „įjungia“ ir „išjungia“ tam tikrus genus, sintetindamos tik tuos baltymus, kurie joms reikalingi konkrečiu metu ir konkrečiomis sąlygomis. Tai leidžia ląstelėms specializuotis ir efektyviai reaguoti į aplinkos pokyčius.

Genų raiškos reguliacija – tai mechanizmų visuma, kontroliuojanti, kurie genai, kada ir kokiu intensyvumu bus nurašomi (transkribuojami) ir verčiami (transliuojami) į funkcinius produktus.

Ši reguliacija yra gyvybiškai svarbi:

• Prokariotams: Leidžia greitai prisitaikyti prie kintančių mitybos sąlygų.
• Eukariotams: Būtina normaliam vystymuisi, ląstelių diferenciacijai ir homeostazės palaikymui.

Šioje pamokoje išnagrinėsime pagrindinius genų raiškos reguliavimo principus prokariotuose ir eukariotuose.

Anksčiau aptarta chromatino modifikacija (pvz., histonų acetilinimas) yra epigenetinės reguliacijos pavyzdys. Epigenetika (gr. epi – „virš“, „ant“) – tai mokslo sritis, tirianti paveldimumą, kuris nėra tiesiogiai susijęs su DNR sekos pokyčiais.

Tai reiškia, kad aplinkos veiksniai ir gyvenimo būdas gali sukelti ilgalaikius genų raiškos pokyčius, kurie gali būti perduodami ląstelėms dalijantis ir netgi (kai kuriais atvejais) ateinančioms kartoms.

Pagrindiniai epigenetiniai mechanizmai:

1. DNR metilinimas: Prie DNR (dažniausiai citozino bazės) prijungiamos metilo grupės (-CH₃). Ši modifikacija dažniausiai veikia kaip genų „išjungimo“ signalas. Ji pritraukia baltymus, kurie tankina chromatiną, paversdami jį heterochromatinu.

2. Histonų modifikacijos: Prie histonų „uodegėlių“ gali būti prijungiamos įvairios cheminės grupės (acetilo, metilo, fosfato ir kt.). Šios modifikacijos keičia chromatino supakavimo laipsnį:

   • Acetilinimas paprastai atpalaiduoja chromatiną (virsta euchromatinu) ir aktyvuoja genus.
   • Metilinimas (priklausomai nuo vietos) gali ir aktyvuoti, ir slopinti genus.

Šie epigenetiniai žymenys sudaro savotišką antrąjį informacijos sluoksnį „virš“ DNR sekos, kuris lemia, kaip genomas bus „skaitomas“ kiekvienoje ląstelėje. Epigenetiniai pokyčiai yra susiję su daugeliu procesų, įskaitant vėžio vystymąsi, senėjimą ir net atminties formavimąsi. Svarbu tai, kad, skirtingai nuo genų mutacijų, epigenetiniai žymenys gali būti grįžtami.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Schema, lyginanti du genus. Vienas genas yra „išjungtas“: jo DNR metilinta, o histonai nemodifikuoti (arba deacetilinti), chromatinas tankus. Kitas genas yra „įjungtas“: jo DNR nemetilinta, histonai acetilinti, chromatinas laisvas ir pasiekiamas RNR polimerazei.

Bakterijos turi greitai reaguoti į aplinkos pokyčius, pavyzdžiui, į maisto medžiagų atsiradimą ar išnykimą. Efektyviausiam valdymui jos naudoja operono modelį (pasiūlytą F. Jacobo ir J. Monod).

Operonas – tai funkcionaliai susijusių genų grupė, kuri yra kontroliuojama vieno bendro reguliacinio elemento – operatoriaus. Visi operono genai yra transkribuojami kartu, į vieną ilgą iRNR molekulę.

Operono sandara:

• Struktūriniai genai: Genai, koduojantys fermentus ar kitus baltymus (pvz., susijusius su tam tikros medžiagos metabolizmu).
• Promotorius: DNR seka, prie kurios jungiasi RNR polimerazė.
• Operatorius: DNR seka, esanti tarp promotoriaus ir struktūrinių genų. Prie jos gali prisijungti baltymas represorius, kuris fiziškai blokuoja RNR polimerazės judėjimą ir išjungia transkripciją.
• Genas reguliatorius: Atskiras genas, koduojantis baltymą represorių. Jis nėra paties operono dalis.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Bendra operono struktūros schema, kurioje nuosekliai parodytas genas reguliatorius (atskirai) ir operonas (promotorius, operatorius, struktūriniai genai).

lac operonas (laktozės operonas) – tai klasikinis indukuojamo operono pavyzdys. Šis operonas koduoja fermentus, reikalingus pieno cukraus – laktozės – skaidymui. Bakterijai naudinga gaminti šiuos fermentus tik tada, kai aplinkoje yra laktozės.

Kai laktozės nėra (operonas išjungtas):

1. Genas reguliatorius nuolat gamina aktyvų baltymą represorių.
2. Represorius prisijungia prie operatoriaus.
3. Prisijungęs represorius fiziškai blokuoja RNR polimerazę, neleisdamas jai transkribuoti struktūrinių genų.
4. Laktozės skaidymo fermentai nesintetinami, ląstelė taupo energiją.

Kai laktozė atsiranda (operonas įjungiamas):

1. Laktozės molekulė (tiksliau, jos darinys alolaktozė) veikia kaip induktorius.
2. Induktorius prisijungia prie baltymo represoriaus ir pakeičia jo formą.
3. Pakeitęs formą, represorius nebegali prisijungti prie operatoriaus ir nuo jo atsiskiria.
4. Operatorius tampa laisvas, RNR polimerazė gali netrukdomai judėti ir transkribuoti struktūrinius genus.
5. Pradedami gaminti fermentai, kurie skaido laktozę.

Kai visa laktozė suskaidoma, induktorius atsiskiria nuo represoriaus, šis vėl tampa aktyvus, prisijungia prie operatoriaus ir sistema vėl išjungiama. Tai yra elegantiškas neigiamo grįžtamojo ryšio pavyzdys.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Dvi schemos, iliustruojančios lac operono veikimą: 1) Kai laktozės nėra: aktyvus represorius prisijungęs prie operatoriaus, transkripcija nevyksta. 2) Kai laktozė yra: laktozė (induktorius) prisijungusi prie represoriaus, jis neaktyvus, RNR polimerazė transkribuoja genus.

Eukariotų genų reguliacija yra nepalyginamai sudėtingesnė. Ji vyksta ne viename, o keliuose lygmenyse, pradedant DNR supakavimu ir baigiant jau pagaminto baltymo aktyvavimu.

1. Chromatino lygmuo (prieš transkripciją)

Eukariotų DNR yra glaudžiai supakuota su baltymais histonais ir sudaro chromatiną. Genų raiška priklauso nuo chromatino supakavimo lygio:

• Heterochromatinas: Labai tankiai supakuotas chromatinas. DNR jame yra nepasiekiama RNR polimerazei, todėl šioje srityje esantys genai yra išjungti (nutildyti).
• Euchromatinas: Laisvai, puriai supakuotas chromatinas. DNR yra pasiekiama transkripcijos fermentams, todėl genai yra aktyvūs. Ląstelė gali reguliuoti genų raišką keisdama chromatino struktūrą per histonų modifikacijas (pvz., acetilinimą, kuris atpalaiduoja chromatiną).

2. Transkripcijos lygmuo (svarbiausias)

Tai pagrindinis reguliacijos lygmuo. Skirtingai nuo prokariotų, eukariotų genų transkripciją valdo ne tik promotorius, bet ir daugybė kitų DNR sekų bei baltymų:

• Transkripcijos faktoriai: Baltymai, kurie padeda arba trukdo RNR polimerazei prisijungti prie promotoriaus.
• Stiprikliai (angl. enhancers): Tolimos DNR sekos, prie kurių prisijungę aktyvatoriai smarkiai padidina transkripcijos greitį.
• Tildikliai (angl. silencers): DNR sekos, prie kurių prisijungę represoriai slopina transkripciją.

3. Potranskripcinis lygmuo (RNR procesingas)

Kaip minėjome anksčiau, alternatyvusis splaisingas leidžia iš vieno geno pagaminti kelis skirtingus baltymus, taip reguliuojant genų produkto įvairovę.

4. Transliacijos lygmuo

Ląstelė gali kontroliuoti, kurios iRNR molekulės citoplazmoje bus transliuojamos. Pavyzdžiui, mikroRNR (miRNR) – mažos RNR molekulės – gali prisijungti prie iRNR ir blokuoti jos transliaciją arba paskatinti jos suardymą.

5. Potransliacinis lygmuo

Jau pagamintas polipeptidas dažnai būna neaktyvus. Jis turi būti chemiškai modifikuotas (pvz., fosforilinamas) arba suskaidytas, kad taptų funkcionaliu baltymu. Ląstelė taip pat gali reguliuoti baltymo „gyvavimo“ trukmę, pažymėdama jį suardymui.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Apžvalginė schema, vaizduojanti visus eukariotų genų raiškos reguliavimo lygmenis: nuo chromatino modifikacijų branduolyje iki baltymo aktyvavimo citoplazmoje.