Экспрессия генов – это процесс, в котором ДНК направляет синтез функциональных продуктов, таких как белки. Клетки могут регулировать экспрессию генов на различных стадиях. Это позволяет организмам генерировать различные типы клеток и позволяет клеткам адаптироваться к внутренним и внешним факторам.
Ген является участком ДНК, который служит в качестве плана для функциональных РНК и белков. Поскольку ДНК состоит из нуклеотидов, а белки состоят из аминокислот, необходим посредник для преобразования информации, кодируемой в ДНК, в белки. Этот посредник является мессенджером РНК (мРНК). мРНК копирует план из ДНК процессом, называемым транскрипцией. В эукариотах транскрипция происходит в ядре путем дополнительного базового сопряжения с шаблоном ДНК. Затем мРНК обрабатывается и транспортируется в цитоплазму, где она служит шаблоном для синтеза белка во время трансляции. У прокариот, в которых нет ядра, процессы транскрипции и трансляции происходят в одном и том же месте и почти одновременно, так как новообразованная мРНК подвержена быстрой деградации.
Каждая клетка организма содержит одинаковую ДНК, и, следовательно, один и тот же набор генов. Тем не менее, не все гены в клетке “включены” или используются для синтеза белков. Ген, как говорят, “выражается”, когда белок, который он кодирует, вырабатывается клеткой. Экспрессия генов регулируется для обеспечения правильного генерации белков в определенных клетках в определенное время. Различные внутренние и внешние механизмы регулируют экспрессию генов до и во время транскрипции.
Структура хроматина- уплотненной ДНК и связанных с ней белков гистона – может быть химически изменена, чтобы быть открытой или закрытой. Такие изменения позволяют или ограничивают доступ транскрипционной машины к ДНК. Модификация хроматина является внутренним механизмом, используемым во время разработки для формирования различных типов клеток (например, нейрона против мышечной клетки) из одного и того же генома.
ДНК-связывающие белки, называемые транскрипционными факторами, регулируют транскрипцию, связываясь с определенными последовательностями ДНК вблизи или внутри кодирующих областей генов. Транскрипционные факторы, способствующие инициированию транскрипции, называются активаторами. Белки, которые предотвращают связывание механизма транскрипции с местом инициации транскрипции, называются репрессорами. Транскрипционные активаторы или репрессоры реагируют на внешние раздражители, такие как сигнальные молекулы, дефицит питательных средств, температура и кислород.
Экспрессия генов может регулироваться посттранскрипционной обработкой мРНК. В эукариотах транскрибированная мРНК подвергается сплайсированию и другим модификациям, которые защищают концы нити РНК от деградации. Сплайсирование удаляет интроны–сегменты, которые не кодируют белки, и соединяет регионы, кодирующие белок, называемые экзонами. Альтернативное сращивание позволяет выражать функционально разнообразные белки из одного и того же гена. Регулирование экспрессии генов путем альтернативного сращивания играет важную роль в развитии органов, выживании и распространении клеток, а также адаптации к факторам окружающей среды.
Экспрессия генов также может быть изменена путем регулирования трансляции мРНК в белки. Трансляция может регулироваться микроРНК- малыми, некодирующих РНК, которые связываются с определенной последовательностью мРНК и блокируют инициирование трансляции или ухудшают транскрибированную мРНК. Кроме того, белки, называемые трансляционными репрессорами, могут связываться с РНК и мешать инициированию трансляции.
Переведенные полипептиды проходят обработку для формирования функциональных белков. Добавление или удаление химических групп может изменить активность, стабильность и локализацию белков в клетке. Например, добавление или удаление фосфориловых групп (-PO32)может активировать или инактивировать белки. Аналогичным образом, добавление убиквитиных групп вызывает деградацию белка. Таким образом, пост-трансляционные модификации белка являются заключительной стадией регуляции генов.
