§27. Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Определения и обозначения

Экспрессия гена — использование информации, записанной в гене, для образования функциональной РНК или белка. Её интенсивность может меняться: ген способен работать сильно, слабо или временно не работать. Это понятие помогает описывать не только наличие гена, но и его фактическую активность.

Регуляция экспрессии генов — управление тем, когда, где и насколько активно работают гены. Клетка может запускать синтез нужного продукта, замедлять его или полностью прекращать. Благодаря этому она приспосабливается к условиям и не тратит ресурсы без необходимости.

Оперон — группа генов прокариот, работа которых регулируется совместно благодаря общим регуляторным участкам ДНК. Обычно такие гены участвуют в одном процессе, например в использовании определённого вещества. Оперон позволяет быстро включать сразу несколько необходимых ферментов.

Транскрипционный фактор — белок, который связывается с определёнными участками ДНК и влияет на начало или интенсивность транскрипции. Он может помогать запуску работы гена или препятствовать ей. Такие белки связывают сигналы клетки с изменением образования РНК.

Как это устроено

Регуляция может происходить на разных этапах реализации генетической информации: при транскрипции, обработке РНК, трансляции и после образования белка. Чем раньше включается контроль, тем меньше ненужных промежуточных продуктов образует клетка. Более поздние этапы позволяют быстро изменить количество уже нужного белка или его активность.

У прокариот гены с общими функциями нередко объединены в оперон, потому что клетке выгодно включать связанные реакции одновременно. Регуляторные участки ДНК определяют, сможет ли РНК-полимераза присоединиться и двигаться вдоль генов. Если доступ закрыт, общая РНК и ферменты не образуются, поэтому клетка экономит ресурсы.

Лактозный оперон нужен бактерии для получения энергии из лактозы, но постоянно синтезировать его ферменты невыгодно. При отсутствии лактозы регуляторный белок связывается с участком ДНК и мешает РНК-полимеразе транскрибировать гены. При появлении лактозы она изменяет состояние регуляторного белка, тот освобождает ДНК, и синтез ферментов усиливается.

У эукариот ДНК связана с белками и образует хроматин, поэтому её участки могут быть открытыми или уплотнёнными. В открытом участке транскрипционный аппарат легче получает доступ к гену, а в плотном участке считывание затрудняется. Транскрипционные факторы и другие регуляторные белки дополнительно усиливают или подавляют работу конкретных генов.

Гормон или другой сигнал действует не на все клетки, а прежде всего на клетки-мишени с подходящим рецептором. После связывания сигнала меняется активность регуляторных белков, а затем — транскрипция или другие этапы синтеза белка. Контроль устойчивости РНК и трансляции позволяет изменить количество белка даже после образования информационной РНК.

Уровни и способы регуляции экспрессии генов

Таблица показывает, на каком этапе возникает контроль и какой результат он даёт. Двигаясь сверху вниз, можно проследить путь от доступности гена до изменения активности готового белка. Один и тот же клеточный ответ иногда регулируется сразу на нескольких уровнях.

Разбор задач

Задача 1

В клетке бактерии нет лактозы. Предположите, будет ли активно транскрибироваться лактозный оперон и почему. Нужно связать состав среды с состоянием регуляторного белка и доступом РНК-полимеразы к ДНК.

1. Определяем условие: лактоза отсутствует, значит, запускать ферменты для её расщепления сейчас не требуется.
2. При таком условии регуляторный белок сохраняет способность связываться с регуляторным участком ДНК оперона.
3. Связанный белок препятствует движению РНК-полимеразы, поэтому гены оперона почти не транскрибируются.

Ответ: лактозный оперон не будет активно транскрибироваться. Регуляторный белок блокирует ДНК, и ферменты использования лактозы почти не синтезируются.

Задача 2

В клетках ткани под действием гормона усилилась выработка определённого белка. Укажите возможный этап регуляции и объясните ход событий. Здесь нужно начать с сигнала, а затем проследить его влияние на клетку-мишень.

1. Гормон связывается с рецептором клетки, которая способна его распознавать.
2. Сигнал изменяет активность регуляторного белка, например транскрипционного фактора.
3. Фактор усиливает транскрипцию нужного гена, образуется больше РНК, а рибосомы синтезируют больше белка.

Ответ: возможна регуляция на этапе транскрипции с последующим усилением трансляции. Гормон не превращается в белок, а запускает внутриклеточную цепь, которая повышает экспрессию соответствующего гена.

Задача 3

Сравните две клетки одного организма: в первой ген доступен для считывания и белок образуется, во второй участок ДНК уплотнён. Объясните различие в экспрессии и укажите дополнительные этапы её регуляции.

1. В первой клетке хроматин открыт, поэтому регуляторные белки и РНК-полимераза могут работать с геном.
2. Во второй клетке уплотнённый участок затрудняет доступ к ДНК, и транскрипция ослабевает или прекращается.
3. Даже после транскрипции количество белка может меняться при обработке и разрушении РНК, регуляции трансляции или изменении активности готового белка.

Ответ: различие объясняется доступностью хроматина и активностью генов. Дополнительный контроль возможен на этапах созревания и устойчивости РНК, трансляции и работы белка.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все гены клетки работают постоянно. Её допускают, потому что вся ДНК находится в клетке одновременно. Проверка проста: спросите, нужен ли данный продукт именно этой клетке и в данных условиях.

Ошибка: путать транскрипцию с трансляцией. Транскрипция создаёт РНК по ДНК, а трансляция создаёт белок по РНК. Для проверки назовите матрицу и результат каждого процесса.

Ошибка: переносить устройство оперона прокариот на эукариот. У бактерий совместная регуляция групп генов распространена, а у эукариот важную роль играют хроматин и транскрипционные факторы. Сначала определите, о какой группе организмов идёт речь.

Ошибка: полагать, что наличие гена гарантирует образование белка. Ген может быть недоступен, его РНК может быстро разрушаться, а трансляция или активность белка — блокироваться. Проверяйте весь путь от ДНК до работающего продукта.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о строении ДНК и РНК, транскрипции, трансляции, генетическом коде и рибосомах. Без них трудно понять, на каком участке клетка может остановить передачу информации.

Связь с клеточной биологией особенно заметна при изучении дифференцировки. Клетки организма имеют обычно одинаковую ДНК, но различаются набором активных генов и поэтому выполняют разные функции.

Дальше эти знания пригодятся при изучении наследственной изменчивости, действия гормонов, развития организма и клеточных нарушений. Нарушение регуляции может приводить к неправильному росту или сбоям работы тканей.

Что запомнить

• Экспрессия гена может усиливаться, ослабляться или прекращаться.
• Регуляция возможна на разных этапах — от считывания ДНК до работы белка.
• Оперон обеспечивает совместную регуляцию группы генов у прокариот.
• У эукариот на транскрипцию влияет доступность участков ДНК в хроматине.
• Транскрипционные факторы могут активировать или подавлять работу генов.
• Сигналы организма способны менять экспрессию генов в клетках-мишенях.