W danym momencie komórkom potrzebne są tylko niektóre enzymy, w związku z czym niezbędna jest aktynowość tylko tych genów, które je kodują. Ponieważ nie ma potrzeby, aby w tym samym czasie były czynne wszystkie geny, w organizmie muszą istnieć pewne mechanizmy regulujące ekspresję genów. Mechanizmy te różnią się w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych, co związana jest między innymi z sposobem organizacji ich materiału genetycznego.
Regulacja ekspresji genów u organizmów prokariotycznych:
Jednym z najbardziej znanych sposób regulacji ekspresji genów u bakterii jest mechanizm według którego działa operon laktozowy. DNA bakterii składa się praktycznie wyłącznie z samych odcinków kodujących. Jego geny tworzą grupę, który ulega wspólnej transkrypcji i kontroli. Ten zespół genów nazywany jest operonem.
W skład każdego operonu wchodzą:
• promotor – niekodująca sekwencja DNA, do której przyłącza się polimeraza
• operator – niekodująca sekwencja DNA, położona pomiędzy promotorem a genami struktury, do której może przyłączyć się białko represorowe
• geny struktury – kodują enzymy określonego szlaku metabolicznego, w przypadku operonu laktozowego są to trzy geny kodujące trzy enzymy rozkładające laktozę (lacZ, lacY, lacA)
• represor – to gen regulatorowy kodujący białko zwane represorem, które łączy się z operonem
W normalnych warunkach bakterie jako źródło energii wykorzystują glukozę. Dlatego geny kodujące enzymy metabolizujące laktozę nie są potrzebne w tej sytuacji. W związku z powyższym ekspresji ulega gen regulatorowy, który koduje represor. Ten przyłącza się do operonu blokując zarazem promotor. To udaremnia przyłączenie się polimerazy, a tym samym uniemożliwia transkrypcję genów struktury. Gdy w środowisku bakterii pojawi się laktoza to łączy się ona z białkiem represorowym, co powoduje jego odłączenie od operonu, a tym samym odsłonięcie promotora. Skutkuje to przyłączeniem polimerazy transkrypcją operonu laktozowego.
 |
|
Schemat ukazujący mechanizm działania operonu laktozowego: |
Regulacja ekspresji genów u organizmów eukariotycznych:
W organizmach eukariotycznych występują odmienne mechanizmy regulacji ekspresji genów. Przede wszystkim jest to spowodowane organizacją przestrzenną DNA, którego helisa nawinięta jest na histony, w związku z czym białka mają do niego utrudniony dostęp. Ponadto do inicjacji transkrypcji wymagana jest obecność licznych czynników białkowych, bez których polimeraza nie może połączyć się z DNA.
Ekspresja genów u organizmów eukariotycznych może być regulowana na każdym z poniższych poziomów:
• struktura chromatyny – regulowanie dostępności chromatyny (zamiana heterochromatyny w euchromatynę jest przyczyną wyciszenia genów)
• transkrypcja – sterowanie inicjacją i szybkością transkrypcji
• obróbka transkryptu – wycinanie intronów i różne składanie ze sobą egzonów w ramach alternatywnego splicingu może dać kilka rodzajów mRNA
• redagowanie transkryptu – zmiany w obrębie sekwencji nukleotydów po transkrypcji
• stabilność mRNA – czas ekspresji genu zależy od czasu trwałości mRNA
• transport mRNA z jądra do cytoplazmy– degradacja nieprawidłowo obrobionego DNA
• translacja i modyfikacje potranslacyjne
• stabilność powstałego białka – degradacja białek pod wpływem ubikwityny