Генная экспрессия, основные определения

ДНК(Дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК

(Рибонуклеиновая кислота) - органические соединения, обеспечивающее хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.

Ген- это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь (белок) или одну молекулу тРНК, мРНК или рРНК. Это - смысловая единица генетического кода.

мРНК- матричная РНК, служит для переноса информации с ДНК в цитоплазму для последующей трансляции белка. Рибосмоные и транспортные РНК (рРНК и тРНК) обеспечивают процесс трансляции белка с мРНК.

Генная экспрессия

- это процесс, в результате которого по информации, закодированной в гене, синтезируется конечный продукт - белок. Уровнем экспрессии называется количество нарабатываемого белка. В этом процессе можно выделить несколько этапов. Два основных из них - это транскрипция и трансляция.

Транскрипция

- это процесс синтеза всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый при помощи специального фермента РНК-полимеразы. После транскрипции происходит обработка получившейся молекулы мРНК (вырезание не кодирующих частей, обеспечение защиты от нуклеаз, разрушающих РНК), после чего начинается второй этап - трансляция белка с помощью рРНК и тРНК

Практически важнейшим процессом в функционировании любого живого организма является регуляция генной экспрессии, контролирующая производство того или иного белка, в зависимости от нужд организма. В частности, этот процесс определяет рост и формирование живого организма и его составных частей. Неправильная регуляция часто является причиной болезней или неправильного формирования организма. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии пост-трансляционных модификаций белков. Главную роль в системе регуляции генной экспрессии являются специальные белки - транскрипционные факторы.

Транскрипционные факторы

- это белки, контролирующие процесс транскрипции (переноса информации с молекулы ДНК в мРНК) путем связывания со специфичными участками ДНК (промоторами, служащими стартовыми площадками для начала транскрипции). Так как сама ДНК остается неизменной, то процесс транскрипции генов напрямую связан с концентрацией соответствующих транскрипционных факторов.

Рисунок 1. Процессы генной экспрессии и регуляции

Транскрипционные факторы выполняют свою функцию самостоятельно либо в комплексе с другими белками. Они обеспечивают снижение (репрессоры) или повышение (активаторы) константы связывания РНК-полимеразы с регуляторными последовательностями регулируемого гена, что соответственно приводит к увеличению или уменьшению нарабатываемой с данного гена РНК.

Транскрипционные факторы различны у разных генов, кроме того сами транскрипционные фактора, также кодируются с помощью специальных генов. Таким образом, обеспечивается влияние одних генов на другие. Схематически процессы экспрессии и регуляции генов изображены на рисунке 1. Мы будем говорить, что некоторый ген X активирует (подавляет) другой ген Y, если увеличение уровня экспрессии X влечет увеличение (уменьшение) уровня экспрессии Y. Известны ситуации, когда ген активирует или подавляет сам себя либо когда ген X активирует ген Y в то время как Y подавляет X. Таким образом, поддерживается нужный уровень различных белков в организме. В случае, когда клетка сталкивается с новыми условиями (инфекция, стресс и т.д.) она реагирует путем изменения экспрессионной программы. Во многих случаях в начале активируется несколько транскрипционных факторов, которые в свою очередь активируют многие другие гены для адекватного ответа на новые условия. Из вышесказанного ясно, что гены могут образовывать очень сложные структуры - генные сети.