Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается, когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке. У высших организмов процесс регуляции работы генов осуществляется более сложно: у животных важную роль в этом процессе играют гормоны, клеточные мембраны; у растений - условия внешней среды, в том числе и окружающие клетки.
Раскрытие механизма регуляции генетического кода показало сложное строение локализованного в молекуле ДНК генетического аппарата. Гены, непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов, называют структурными генами. Они входят в состав оперона, работу которого регулирует ген-регулятор. Как правило, структурные гены в опероне находятся в состоянии репрессии. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы ДНК и кодирует синтез специального белка, называемого репрессором. Работой структурных генов управляют находящиеся в опероне гены, не имеющие кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцепторных и структурных генов образует единицу генетической регуляции, или оперон.
Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку, блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Ген-оператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены. РНК-полимераза с помощью Сар-белка присоединяется к промотору и, продвигаясь вдоль оперона, синтезирует про-м РНК. При транскрипции мРНК считывает генетическую информацию со всех трех структурных генов в одном опероне. При трансляции на рибосоме происходит синтез трех разных полипептидных цепей в соответствии с содержащимися в мРНК кодами – последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи.
Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лактозного оперона, называется негативной индукцией синтеза белка. Другим типом регуляции работы генов служит негативная репрессия, изученная у E.coli на примере trp –оперона, контролирующего синтез аминокислоты триптофана. Этот оперон состоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит пять структурных генов, ген-оператор и два промотора. Ген-регулятор обеспечивает постоянный синтез регулярного белка, который не влияет на работу trp-оперона. При избытке в клетке триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что он связывается с опероном и репрессирует синтез соответствующей мРНК.
Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт гена-регулятора активирует работу оперона, то есть выступает в роли не репрессора, а активатора. Деление это условно, и строение акцепторной части оперона, действие гена-регулятора у прокариотов весьма разнообразны.
Число структурных генов в опероне у прокариотов колеблется от одного до двенадцати; оперон может иметь либо один, либо два промотора и терминатора. Все структурные гены, локализованные в одном опероне, как правило, контролируют систему ферментов, обеспечивающих одну цепь биохимических реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласующие регуляцию работы нескольких оперонов.
В связи с особенностями организации отдельных генов эукариот и генома в целом регуляция генной активности у них характеризуется некоторыми отличиями по сравнению с прокариотами.
У эукариот не обнаружено организации генов по типу оперона. Установлено, что функционирование генов, несомненно, подчиняется регуляторным воздействием, однако регуляция транскрипции у эукариот является комбинационной, то есть активность каждого гена регулируется большим спектром генов-регуляторов.
У эукариотических генов имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами. Одна из них расположена недалеко от промотора и включает около ста пар нуклеотидов, в том числе ТАТА-блок. Установлено, что для успешного присоединения РНК-полимеразы к промотору необходимо предварительное соединение с ТАТА-блоком особого белка – фактора транскрипции – с образованием стабильного транскрипционного комплекса. Именно этот комплекс ДНК с белком узнает РНК-полимеразой. Последовательности нуклеотидов, примыкающих к ТАТА-блоку, формируют требуемый для транскрипции элемент, расположенный перед промотором.
Другая область, играющая важную роль в регуляции генной активности эукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора и называется энхансером.
И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов содержат серию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются с соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих белков происходит включение или выключение генов.
Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является также существование белко-регуляторов, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В связи с этим белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов, и их действие характеризуется плейотропным эффектом. Примером может служить существование белка, который активирует транскрипцию нескольких специфических генов, определяющих дифференцировку предшественников жировых клеток.
Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию выполняет клетка в соответствующих тканях или органах. Значительная часть генов в ядрах дифференцированных клеток находится в репрессивном состоянии, при этом регуляция генной активности связанны с образованием стойкого комплекса ДНК с белками – хроматина. Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они, несомненно, участвуют в процессах регуляции генной активности. Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительная декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь с Н1-гистонами и насколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена.
Условно структурные гены эукариот могут быть по их активности подразделены на несколько типов. К первому типу могут быть отнесены гены, функционирующие во всех клетках организма. Это гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, а также гены, контролирующие образование мембраны и других структурных белков. Ко второму типу можно отнести гены, контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, коллагена – в костях и т.д. К третьему типу могут быть отнесены гены специализированных клеток, выполняющие важные, но узкие функции – синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эндокринных железах и т.д.
Характерно, что в отличие от прокариот мРНК в клетках эукариот может сохраняться довольно продолжительное время, не теряя свои функций. Так, например, у животных ряд типов мРНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворения, оказывая значительное влияние на эмбриональное развитие.
Особенностью регуляции транскрипции у эукариот является подчиненность этих процессов регулирующим влиянием со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные последовательности ДНК.
Специфичность регулирующего воздействия гормона на транскрипцию обусловлена не только природой самого гормона, но и природой клетки-мишени, синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет на транскрипцию определенного для данной клетки набора генов. Примером участия гормонов в регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенного набора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, или синдром Морриса.
У эукариот возможна регуляция синтеза белка на уровне трансляции. При этом имеют значение типы тРНК и ферментов, активирующих соответствующие аминокислоты, а также вырожденность генетического кода. Большая часть аминокислот кодируется несколькими триплетами, получившими название изоакцепторных кодонов. Одна и та же аминокислота может доставляться на мРНК несколькими типами тРНК. Так, кодирование аминокислоты аргинин может происходить посредством кодонов ЦГЦ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ. Процесс трансляции зависит также от состояния тРНК, рибосом, наличия или отсутствия соответствующих готовые белковые молекулы.