Генна експресия: как ДНК се превръща в РНК и протеини

Генна експресия: как ДНК се транскрибира в РНК и се транслаира в протеини, регулация на гени, тъкани и развитие – ясно, научно и достъпно обяснение.

Експресията на гена е процесът, при който наследствената информация в гена, последователността от двойки бази на ДНК, се превръща във функционален генен продукт, например белтък или РНК. Основната идея е, че ДНК се транскрибира в РНК, която след това се транслира в протеини. Белтъците изграждат много от структурите и всички ензими в клетката или организма.

Няколко етапа в процеса на генна експресия могат да бъдат модулирани (настроени). Това включва както транскрипцията и  транслацията, така и крайното сгънато състояние на даден протеин. Регулацията на гените включва и изключва гените и по този начин контролира клетъчната диференциация и морфогенезата. Регулацията на гените може да служи и като основа за еволюционни промени: контролът върху времето, мястото и количеството на генната експресия може да има дълбоко въздействие върху развитието на организма.

Експресията на даден ген може да варира значително в различните тъкани. Това се нарича плейотропизъм - широко разпространено явление в генетиката.

От ДНК към РНК: транскрипция

Транскрипцията е процесът, при който ензимът РНК-полимераза чете нуклеотидната последователност на даден ген и синтезира комплементарна молекула информационна РНК (mRNA) или други видове РНК (rRNA, tRNA, малки регулаторни РНК). В еукариотните клетки процесът започва, когато транскрипционни фактори и комплекси разпознаят регулаторни последователности като промотори и енхансери. Често се споменава и TATA-последователността (TATA box), но има много други елементи, които определят къде и колко активно ще се транскрибира един ген.

При еукариотите първичният транскрипт (пред- mRNA) съдържа както екзони (кодиращи участъци), така и интрони (некодиращи участъци), които се отстраняват чрез сплайсинг. Докато при прокариотите транскрипцията и транслацията често са свързани и протичат едновременно, при еукариотите тези процеси са разделени пространствено — транскрипцията в ядрата, а транслацията в цитоплазмата.

От РНК към протеин: транслация

Транслацията е процесът, при който рибозомата чете кодоните на mRNA (последователности от три нуклеотида) и събира аминокиселините в полипептидна верига чрез помощта на tRNA молекули. Първият кодон за начало обикновено е AUG (метионин), а има три стоп-кодона (UAA, UAG, UGA), които прекратяват синтеза. Генетичният код е почти универсален и трите нуклеотида на кодона определят коя аминокиселина ще бъде добавена.

Обработка на РНК и посттранслационни модификации

Преди да напусне ядрото, еукариотската mRNA получава 5' шапка (cap) и 3' поли-аденилирана опашка (poly-A tail), които увеличават стабилността й и улесняват превода. Алтернативният сплайсинг позволява от един ген да се получат няколко различни белтъка, което увеличава функционалното разнообразие.

След синтеза белтъците често преминават през посттранслационни модификации: правилно сгъване (често подпомагано от шаперони), прекъсване, гликозилиране, фосфорилиране, ацетилиране, убиквитиниране и др. Тези промени влияят на активността, локализацията и стабилността на белтъка. Неправилното сгъване или дефектни модификации могат да доведат до заболявания (например амилоидни болести, някои невродегенеративни състояния).

Механизми на регулация на генната експресия

Регулацията се осъществява на много нива:

• Епигенетично — чрез метилиране на ДНК и модификации на хистоните, които променят достъпността на ДНК за транскрипция.
• Транскрипционно — чрез транскрипционни фактори, енхансери, сайлънсери и промотори, които увеличават или намаляват активността на РНК-полимеразата.
• Посттранскрипционно — чрез процеси като сплайсинг, регулация на стабилността на mRNA и контрол на превода (например чрез малки регулаторни РНК като miRNA).
• Посттранслационно — чрез модификации и контрол на разграждането на белтъците (например убиквитин-протеасомна система).

Тези механизми позволяват на клетките да отговарят на външни сигнали, метаболитни нужди и да поддържат хомеостаза. Нарушения в регулацията могат да предизвикат ракови заболявания, вродени дефекти или метаболитни болести.

Разлики между прокариоти и еукариоти

При прокариотите (бактерии) често има оперони — групи от гени, транскрибирани като един mRNA и регулирани заедно (примерно lac-оперон). Транскрипцията и транслацията могат да протичат едновременно. При еукариотите процесите са разделени и регулираните мрежи са по-сложни, с множество регулаторни елементи и епигенетична контрола.

Как измерваме и използваме генната експресия

Има много методи за количествено определяне на експресията: RT-PCR (количествена PCR за mRNA), микроарейни и модерни високо-проходни методи като RNA-seq, които дават подробен профил на експресираните гени. В лаборатории се използват и репортерни гени (напр. GFP, luciferase) за следене на експресията в реално време.

Практически приложения: в биотехнологията и медицината контролът върху генната експресия позволи произвеждането на рекомбинантни протеини (инсулин, ваксини), развитие на генна терапия, редакция на гени (CRISPR/Cas) и изследване на болести чрез модели и терапевтични подходи, насочени към регулаторни механизми.

Защо е важно това за всекидневния живот и науката

Разбирането как ДНК се превръща в РНК и белтъци е основата на молекулярната биология и има директно приложение в диагностиката, лечението и превенцията на болести, в селекцията и агробиотехнологиите, както и в развитието на нови лекарства. Контролът върху кога, къде и колко даден ген се експресира диктува клетъчната идентичност и функция — от ембрионалния стадий до възрастен организъм.

Регулация на гените

Повишаване и понижаване на регулацията

Повишаването на регулацията увеличава експресията на един или повече гени и в резултат на това на протеина(ите), кодиран(и) от тези гени. Понижената регулация е процес, който води до намаляване на експресията на гени и протеини.

Индукция срещу репресия

Регулацията на гените може да се обобщи като:

• Индуцируеми системи: индуцируемата система е изключена, освен ако не е налице някаква молекула (наречена индуктор), която позволява генна експресия.
• Репресивни системи: репресивната система е включена, освен в присъствието на някаква молекула (наречена корепресор), която потиска активността на гена. Казва се, че молекулата потиска експресията.

Регулаторни РНК

Съществуват редица РНК, които регулират гените, т.е. регулират скоростта, с която гените се транскрибират или транслират. Следните два важни примера са

миРНК

Микро РНК (miRNA) действат, като се присъединяват към ензим и блокират mRNA (месинджър РНК) или ускоряват нейното разграждане. Това се нарича РНК интерференция.

siRNA

Малките интерфериращи РНК (понякога наричани заглушаващи РНК) се намесват в експресията на определен ген. Те са доста малки (20/25 нуклеотида) двойноверижни молекули. Откриването им предизвика рязък скок в биомедицинските изследвания и разработването на лекарства.

Структура на еукариотния ген, кодиращ белтъци.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява генната експресия?

В: Как се постига генна експресия?

В: Какво правят протеините в клетката или организма?

В: Какво представлява генната регулация?

В: Как генната регулация може да послужи като основа за еволюционни промени?

В: Какво е плейотропизъм?

В: Кои етапи от генната експресия могат да бъдат модулирани?

Търсене по буква