Уровни регуляции клеточной дифференцировки. Примеры регуляции на уровне структуры ДНК. Роль метилирования.

Исходя из представлений молекулярной биологии, первичная структура белка закодирована определенной последовательностью триплетов ДНК. Информация об этой последовательности транскрибируется на мРНК, а по матрице мРНК после ряда превращений синтезируется белок.

Таким образом, возможны следующие уровни регуляции биосинтеза белков и, следовательно, регуляции клеточной дифференцировки:

- уровень соматических мутаций: соматические мутации (изменения в первичной структуре ДНК) наследуют потомки данной клетки. Это разнообразные делеции, инверсии, повторы участков или их перемещения. Предположения о их наличии высказывались еще в конце 19 в. При делении соматических клеток аскарид была отмечена диминуция (отбрасывание) части хроматина, по видимому, необходимая для развития гамет. Было также отмечено неравное деление хроматина между бластомерами. Феномен деминуции пока толком не исследован, однако, у высших эукариот ее точно не происходит. То, что деминуции нет на ранних стадиях было показано в опыте Шпемана на яйцеклетках тритона (опыт с перетяжкой и образованием двух нормальных зародышей). Окончательным доказательством отсутствия деминуции у растений стало выращивание целого растения из одной клетки. Но на животных таких четких результатов не достигнуто. Были проведены разнообразные опыты по пересадке соматических ядер в яйцеклетки, лишенные ядер. В результате, было выявлено:

- снижение с увеличением возраста донора ядер способности вызывать нормальное развитие яйцеклетки, что, вероятно, вызвано метилированием ДНК по ходу развития;

- способность давать различные типы эмбриональных тканей от ядра дифференцированной клетки.

- амплификация рибосомных генов в оогенезе и нерибосрмных генов, кодирующих структуру белков хориона яйца дрозофилы + дифференцировка В-лимфоцитов. Оба эти явления основаны на соматических мутациях.

Близкое к соматическим мутациям явление - выключение одной из Х-хромосом у эмбрионов самок млекопитающих.

- уровень транскрипции: даже при идентичной структуре ДНК одни и те же гены в разных клетках обладают разной активностью. Следовательно, осуществляется транскрипция разных наборов мРНК, а клетки дифференцируются в разных направлениях.

Клетки эукариот обладают широкими возможностями регуляции активности структурных генов. На ДНК есть особые контролирующие районы, содержащие промотор (непосредственно примыкает к структурному гену и связывает РНК-полимеразу для считывания последовательности) и энхансеры (более удаленные районы, их может быть несколько, за счет них образуется мультимодульная регуляция; они крупнее промотора).

Энхансеры связываются с обширными комплексами - гетеромультимерами - которые в зависимости от своего состава могут подавлять или усиливать экспрессию этого гена. Такая тонкая настройка способствует увеличению разнообразия клеточных дифференцировок. Воздействие энхансера на данный структурный ген осуществляется благодаря изгибу расположенного между ними участка ДНК (это вызвано деконденсацией общирного участка ДНК между энхансером и контролируемым им структурным геном; происходит при связывании энхансера с белком), в результате чего комплекс белок-энхансер устанавливает непосредственный контакт со структурным геном.

Активность экспрессии генов регулируется в том числе процессами метилирования-демитилирования, фосфориоирования-дефосфорилирования, этилирования-деэтилирования и пр. На данные процессы влияют разнообразные белки.

При метилировании участков ДНК по цитозину активность гена блокируется, а при деметилировании - деблоктруется. Активация генов зачастую происходит благодаря деметилированию ДНК в ходе развития зародыша. Позже может возрасти уровень метилирования для закрепления дифференцировки.

Еще одним фактором, влияющим на активность и, вероятно, на специфичность транскрипции, является размер петель доменов ДНК, возникающих при прикреплении ее к ядерному матриксу.

- регуляция в процессе сплайсинга и транспорта мРНК. К ним относят:

- альтернативный сплайсинг: разные способы вырезания интронов из пре-мРНК дают разные РНК из-за разных комбинаций в сшивке экзонов.

- регуляция транспорта мРНК из ядра – далеко не все мРНК экспортируются из ядра

- уровень трансляции: разная скорость, разное время запуска трансляции. Возможность блока трансляции.

- пострансляционный уровень: возможность задержки на уровне преобразования белка или задержки отправки белка на место работы.