Reglajul genetic la eucariote

În celulele eucariote, genele pot fi activate sau reduse la mai multe etape. ADN-ul este împachetat în cromatină; dacă o regiune este greu accesibilă, transcrierea este limitată. Factorii de transcripție se leagă de secvențe reglatoare și influențează producerea ARN-ului. După transcriere, ARN-ul poate fi prelucrat, transportat, degradat ori tradus cu ritm diferit. Proteinele produse pot fi apoi modificate sau distruse. Prin aceste niveluri, celule cu același genom pot deveni neuroni, celule musculare sau hepatocite.

O genă „oprită” într-un țesut nu este neapărat absentă din ADN. Celula păstrează secvența, dar o folosește diferit. Când studiezi un exemplu, întreabă la ce nivel apare schimbarea: cromatină, transcriere, ARN, traducere sau proteină. Nu reduce expresia genelor la un singur întrerupător simplu. Dezvoltarea, hormonii și mediul pot influența aceste procese. Lecțiile Epigenetica, ADN necodificator și secvențe repetitive și Reglajul genetic la procariote dezvoltă, respectiv, modificările cromatinei, secvențele reglatoare și comparația cu bacteriile. Aceste niveluri pot acționa simultan și în sensuri diferite în aceeași celulă.

Reglajul pe termen scurt modifică nivelul expresiei genelor în celule deja diferențiate, ca răspuns la semnale. De pildă, un hormon poate activa transcrierea unei gene într-o celulă țintă; dacă semnalul încetează, sinteza proteinei respective se poate reduce. Reglajul pe termen lung participă la diferențierea celulară din cursul dezvoltării: din celule cu același genom se formează tipuri celulare cu profiluri stabile și diferite de gene exprimate. Astfel, neuronul și celula musculară păstrează ADN-ul organismului, dar sintetizează seturi diferite de proteine caracteristice funcțiilor lor.

Acetilarea histonelor poate face o regiune de cromatină mai accesibilă, în timp ce metilarea ADN-ului este asociată frecvent cu reducerea transcrierii. Factorii de transcripție se leagă de promotori și de secvențe intensificatoare, modificând recrutarea ARN-polimerazei. După transcriere, matisarea alternativă poate produce mai multe variante de ARN mesager din aceeași genă; stabilitatea ARN-ului și viteza traducerii adaugă alte niveluri de control.

De exemplu, o celulă musculară exprimă gene necesare contractilității, iar o celulă hepatică exprimă intens gene pentru enzime metabolice. Ambele păstrează același genom, însă accesibilitatea cromatinei și factorii de transcripție diferă. Dacă o genă este transcrisă, cantitatea de proteină poate totuși varia prin degradarea ARN-ului mesager sau a proteinei.

Elementele de reglare de pe ADN (cis) sunt promotorul (cu secvența TATA, la aproximativ 25 de nucleotide înaintea locului de start), intensificatorii (enhancers), care pot fi la mii de perechi de baze distanță și amplifică transcrierea, silențiatorii și izolatorii. Proteinele care se leagă de ele (trans) sunt factorii de transcripție, cu domenii de legare la ADN în formă de „degete de zinc” sau homeodomenii. Prelucrarea ARNm cuprinde adăugarea unui cap la capătul $5^{\prime }$, a unei cozi de poli(A) la capătul $3^{\prime }$ și eliminarea intronilor de către spliceozom (intronii încep de regulă cu GU și se termină cu AG). Matisarea alternativă face posibil ca ~20 000 de gene umane să producă un număr mult mai mare de proteine. MicroARN-urile (aproximativ 22 de nucleotide) se leagă de ARNm complementari și îi degradează sau îi împiedică traducerea. Hormonii steroizi (cortizolul) traversează membrana, se leagă de receptori intracelulari, iar complexul activează transcrierea genelor ale căror promotori conțin elementele de răspuns la hormon.

Exemplu rezolvat 1: variante de ARNm dintr-o genă. O genă are patru exoni (1–4); exonii 1 și 4 sunt mereu prezenți, iar 2 și 3 sunt opționali.

1. Variantele posibile: 1–4 (fără 2 și 3), 1–2–4, 1–3–4 și 1–2–3–4.
2. Rezultă $2^2=4$ ARNm diferiți, deci patru proteine diferite din aceeași genă.
3. Concluzie: genomul nu este un catalog de „o genă – o proteină”; matisarea alternativă mărește numărul de proteine.

Exemplu rezolvat 2: stabilitatea ARNm determină cantitatea de proteină. Un ARNm este sintetizat cu viteza de 100 de molecule pe oră și este degradat cu viteza $k_d=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}$. La echilibru, numărul de molecule este $N=\frac{100}{k_d}$.

1. Pentru un ARNm cu timp de înjumătățire de 1 oră: $k_d=0,693{\text{h}}^{-1}$, deci $N\approx 144$ de molecule.
2. Pentru un ARNm cu timp de înjumătățire de 6 ore: $k_d=0,1155{\text{h}}^{-1}$, deci $N\approx 866$ de molecule.
3. Cu aceeași viteză de transcriere, ARNm stabil se acumulează de aproximativ 6 ori mai mult, de aceea reglarea stabilității este un nivel de control al expresiei.

Greșeli frecvente

• Greșit: O genă neexprimată a dispărut din celulă.
  Corect: Gena poate rămâne în genom, chiar dacă nu este transcrisă în acel context.
• Greșit: Expresia genică este controlată numai la transcriere.
  Corect: Controlul poate interveni și după transcriere sau la nivelul proteinei.
• Greșit: Dacă o genă este transcrisă intens, cantitatea de proteină este întotdeauna mare.
  Corect: Cantitatea de proteină depinde și de stabilitatea ARNm, de viteza traducerii și de degradarea proteinei.

Înainte și după