¿Cuál es la relación entre la estructura genética y la regulación de la expresión genética?
La regulación de la expresión génica en eucariotas es muy diferente a la de procariotas. Cada célula del mismo grupo de procariotas está en contacto directo con el entorno externo. Principalmente activan o desactivan la expresión de ciertos genes a través de la regulación transcripcional para adaptarse a las condiciones ambientales (principalmente cambios en los niveles nutricionales). inductores de regulación. En la mayoría de los eucariotas, la característica más obvia de la regulación de la expresión genética es la capacidad de activar genes específicos en células específicas en momentos específicos, logrando así un proceso de diferenciación y desarrollo "predeterminado", ordenado e irreversible. órganos bajo ciertas condiciones ambientales. La regulación de la expresión génica eucariota se puede dividir en dos categorías según su naturaleza: la primera categoría es la regulación transitoria o regulación reversible, que equivale a la respuesta de los procariotas a cambios en las condiciones ambientales. La regulación transitoria implica la regulación de la actividad y la concentración de las enzimas cuando las concentraciones de sustratos metabólicos o niveles hormonales aumentan y disminuyen y durante diferentes fases del ciclo celular. La segunda es la regulación del desarrollo o regulación irreversible, que es la esencia de la regulación de la expresión de genes eucariotas porque determina todo el proceso de diferenciación, crecimiento y desarrollo de las células eucariotas. Según la secuencia de regulación genética simultánea, se puede dividir en regulación del nivel transcripcional, regulación del nivel postranscripcional, regulación del nivel traduccional y regulación del nivel de procesamiento de proteínas. El estudio de la regulación genética requiere responder las siguientes tres preguntas principales: ① ¿Cuál es la señal que induce la transcripción genética? ②¿Dónde se logra principalmente la regulación genética (transcripción de ADN modelo, maduración de ARNm o síntesis de proteínas)? ③¿Cuáles son los mecanismos moleculares de regulación genética en diferentes niveles?
Responder a estas tres preguntas es bastante difícil porque el contenido de ADN genómico de las células eucariotas es mayor que el de las células procarióticas. Además de ADN, también hay proteínas, ARN, etc. En las células eucariotas, la transcripción y la traducción ocurren en dos regiones separadas: el núcleo y el citoplasma. Una cadena de ARNm madura sólo puede traducir una cadena polipeptídica; el ADN eucariota está combinado con histonas y una gran cantidad de proteínas no histonas, y sólo una pequeña parte del ADN está desnuda; además, la mayor parte del ADN en las células eucariotas superiores no lo está; transcritos; los eucariotas pueden reorganizar fragmentos de ADN en orden según las necesidades de sus etapas de crecimiento y desarrollo, y aumentar el número de copias de ciertos genes en las células según sea necesario. A pesar de las dificultades, los científicos han construido varios modelos regulatorios.
Regulación del nivel de transcripción
——Modelo de Britten-Davidson El modelo de regulación de la transcripción de genes eucarióticos de copia única fue propuesto por Britten y Davidson en 1969. Este modelo cree que el extremo 5' del gen integrado está conectado a una secuencia de ADN altamente específica, llamada gen sensor. Hay una proteína sensora codificada por este gen en el gen sensor. Las moléculas de señalización extrañas y las proteínas sensoras se unen e interactúan para formar complejos. Este complejo actúa sobre su genoma integrado adyacente, también llamado gen receptor, y se transcribe para producir ARNm, que se traduce en una proteína activadora. Estas proteínas activadoras pueden reconocer la secuencia del receptor ubicada delante del gen estructural (SG) y actuar sobre la secuencia del receptor para permitir la transcripción y traducción del gen estructural.
Si muchos genes estructurales tienen los mismos genes receptores en posiciones adyacentes, entonces estos genes se expresarán bajo el control de algún tipo de activador, y estos genes pertenecen a un conjunto. Si varios genes receptores diferentes están adyacentes a un gen estructural y pueden ser activados por diferentes factores, entonces el gen estructural se expresará en diferentes circunstancias. Si un gen sensor puede controlar varios genes integrados, entonces una molécula de señalización puede activar varios conjuntos de genes a través de un gen sensor correspondiente. Por tanto, todos los genes controlados por un gen sensor se pueden agrupar en un conjunto. Si un gen integrado se repite en conjuntos diferentes, el mismo conjunto de genes también puede pertenecer a conjuntos diferentes.
El impacto de la estructura de la cromatina en la regulación transcripcional
La cromatina en células eucariotas se divide en dos partes. Una porción está en estado condensado, como regiones centroméricas, telómeros y marcadores de desbordamiento secundarios en células en interfase. Las secuencias repetidas y la pasturia no se expresan en ciertos segmentos de los brazos cromosómicos, a menudo llamados heterocromatina. Lo opuesto a la heterocromatina es la eucromatina activada.
La transcripción activa de genes eucariotas se produce en la eucromatina. Antes de que se produzca la transcripción, la eucromatina suele desenroscarse o relajarse en regiones específicas, formando ADN libre. Dichos cambios pueden incluir la eliminación o cambio de la estructura del nucleosoma, cambios en la estructura local del propio ADN, como la dessuperenrollamiento parcial o la relajación de la doble hélice, y el cambio del ADN de diestro a zurdo. Estos cambios pueden conducir a la exposición de genes estructurales, y la ARN polimerasa puede funcionar para promover la unión de estos factores de transcripción al ADN en la región promotora, lo que lleva a la transcripción genética. Los experimentos muestran que estos ADN activos liberan primero dos proteínas no histonas que están ligeramente unidas a la cromatina. Las proteínas no histonas son uno de los factores que hacen que los genes expresados activamente sean altamente susceptibles a las enzimas contables.
Cada vez más científicos se han dado cuenta de que la regulación a nivel de transcripción es el paso principal en la regulación de la expresión de la mayoría de los genes codificadores de proteínas funcionales. Hay dos hipótesis sobre este mecanismo regulatorio. Una hipótesis es que los genes eucarióticos, al igual que los genes procarióticos, tienen factores de transcripción que actúan directamente sobre la ARN polimerasa o que la polimerasa compite por la región de unión al ADN. La segunda hipótesis sostiene que la regulación transcripcional se logra a través de cambios en la conformación de la cromatina causados por la unión y disociación de varios factores de transcripción y proteínas de acción trans a sitios específicos del ADN. La estructura compacta de la cromatina del ADN eucariótico y su estructura superenrollada en los nucleosomas determinan la conexión inevitable entre la expresión de genes eucarióticos y los cambios en la estructura de orden superior del ADN. La relajación y el desenrollamiento de las cadenas de ADN son requisitos previos para que los genes eucariotas inicien la síntesis de ARNm.
Regulación a nivel postranscripcional
La transcripción de genes eucarióticos se produce en el núcleo, mientras que la traducción se produce en el citoplasma. Durante el proceso de transcripción, los genes eucariotas tienen secuencias de inserción y los genes estructurales se dividen en diferentes segmentos. Por lo tanto, la regulación génica postranscripcional es un aspecto importante de la regulación de la expresión génica eucariota, el primero de los cuales es el procesamiento y la maduración del ARN. El ARN, el producto de la transcripción de varios genes, ya sea ARNr, ARNt o ARNm, debe someterse a un procesamiento postranscripcional antes de poder convertirse en una molécula activa.
Regulación del nivel de traducción
Hay tres aspectos de la regulación genética en la etapa de traducción de la síntesis de proteínas: ① regulación de la tasa inicial de síntesis de proteínas; ③ influencia de las hormonas; y otros factores externos. La reacción inicial de la síntesis de proteínas involucra ribosomas, proteínas solubles (los factores iniciales de la síntesis de proteínas a partir de ARNm) y ARNt. Sólo cuando estas estructuras estén coordinadas se podrá completar la biosíntesis de proteínas. El ARNm juega un papel regulador importante.
El “patrón de exploración” del ARNm eucariota y el inicio de la síntesis de proteínas. En las primeras etapas de la síntesis de proteínas eucariotas, la subunidad del ribosoma 40S y los factores de iniciación de la síntesis relacionados se unen primero a la plantilla de ARNm cerca del extremo 5' y luego migran en dirección 3'. Cuando se descubre el código de inicio AUG, forma el complejo de inicio 80S con la subunidad 60S, que es el "modo de exploración" de la síntesis de proteínas eucariotas.
Relación entre el extremo 5’ del ARNm y la síntesis de proteínas. Los eucariotas pueden tener tres tapas diferentes en el extremo 5': tipo 0, tipo I y tipo II. El MRAN de diferentes organismos puede tener diferentes sombreros, y la diferencia radica en los diferentes grados de metilación de bases de los sombreros. La estructura del sombrero está estrechamente relacionada con la tasa de síntesis de proteínas del ARNm: ① La estructura del sombrero es un factor estabilizador para el precursor del ARNm en el núcleo y las transcripciones sin sombrero serán rápidamente degradadas por las nucleasas; puede promover la biología de las proteínas. El complejo inicial se forma durante el proceso de síntesis, aumentando así la intensidad de la traducción. ③ La actividad de traducción de los sombreros no metilados (m7G) (como GPPPN-PN-) y el ARNm con eliminación química o enzimática de los sombreros es significativamente; reducido.
La secuencia líder del ARNm puede ser un mecanismo de reconocimiento que regula el inicio de la traducción. Las modificaciones de los factores proteicos solubles también desempeñan un papel regulador importante en la traducción.