Структура и регуляция действия генов у про- и эукариот.

В клетках эукариот от ДНК исходят сигналы, которые в конечном счете передаются РНК-полимеразе: стимулируют или подавляют инициацию синтеза РНК. Источником сигналов служат определенные локусы ДНК — регуляторные элементы. Эти участки имеют небольшие размеры, порядка 10 н. п. Регуляторные элементы, стимулирующие транскрипцию, называют энхансерами (англ. enhancer — усилитель), а подавляющие транскрипцию — сайленсерами (англ. silencer — глушитель, успокоитель).

Регуляторные элементы могут избирательно соединяться с белками-регуляторами.

Белки, соединяющиеся с энхансерами, называют индукторами, а соединяющиеся с сайленсерами — репрессорами.Цис-элементы действуют на гены только той молекулы ДНК, в которой они сами находятся. Энхансеры и сайленсеры могут располагаться вблизи от промотора и от стартовой точки транскрипции регулируемого гена, но могут быть и удалены от него, даже на тысячи нуклеотидных пар, как в сторону 5'-конца, так и в сторону З'-конца. Однако они могут быть сближены в результате изгибания молекулы ДНК.

Белки-регуляторы (индукторы и репрессоры) содержат по крайней мере три домена:1) домен, узнающий определенную нуклеотидную последовательность ДНК; эти домены часто имеют супервторичную структуру типов а-спираль-пово-рот-а-спираль, лейциновая застежка-«молния», цинковый палец;

2) домен, узнающий трансэлементы;

3) домен, взаимодействующий с факторами транскрипции в области ТАТА-последовательности; в результате этого белки-регуляторы влияют на транскрипцию, а именно увеличивают (индукторы) или уменьшают (репрессоры) частоту инициации транскрипции.

Каждый ген регулируется независимо от других. Следовательно, для каждого гена существуют специфические регуляторные элементы (локусы ДНК) и специфические регуляторные белки, узнающие эти элементы. Уже известно много ре-гуляторных белков и регуляторных элементов разных генов, и постоянно обнаруживаются все новые и новые. Присоединение регуляторных белков к энхансерам или сайленсерам зависит от других веществ — трансэлементов, сигнальных молекул, приносимых в клетку с кровью или образующихся в самой клетке. К числу таких молекул относятся гормоны, некоторые метаболиты, ионы металлов. Есть регуляторные белки, реагирующие на изменение температуры. Все эти сигналы стимулируют присоединение индукторов к соответствующим энхансерам или репрессоров к соответствующим сайленсерам. Трансэлементами их называют потому, что они могут действовать на любую молекулу ДНК (любую хромосому), если только в ней есть подходящий цис-элемент.

Чтобы разобраться в этой сложной системе и пока неустоявшейся терминологии, рассмотрим конкретный пример — регуляцию синтеза металлотионеина. Металлотионеин — небольшой белок, содержащий много остатков цистеина, примерно 1/ от всех аминокислот, и поэтому способный связывать ионы тяжелых металлов — Zn, Си, Cd, Hg, Ag. Одна молекула металлотионеина связывает несколько ионов. Эти ионы токсичны для организма, и при избыточной концентрации выводятся в комплексе с металлотионеином. Металлотионеин постоянно синтезируется в печени и секретируется в кровь, что важно для регуляции концентраций ионов Zn и Си, поскольку они являются нормальными и обязательными компонентами организма. Но при повышенном поступлении в организм ионов тяжелых металлов синтез металлотионеина стимулируется (положительная регуляция).