Экспрессия и регуляция генов. Лекция 7

1.

Экспрессия и
регуляция генов
Лекция 7

2.

Основные разделы темы
• Экспрессия генов. Основные понятия.
• Нервная система (ЦНС и вегетативная системы).
• Гуморальная регуляция. Эндокринная регуляция генов.
• Взаимодействие нервной и эндокринной систем в регуляции
генетических процессов.

3.

Экспрессия генов.
Основные понятия.

4.

Экспрессия генов
Экспрессия генов — это совокупность молекулярных механизмов реализации
наследственной информации, благодаря которым ген проявляет свой потенциал
в конкретном фенотипическом признаке организма.
Другими словами, под экспрессией генов понимают их активность. То есть
синтез РНК и белков.
• Все клетки человека имеют идентичный
геном. При это и выглядят, и
функционируют они абсолютно поразному.
• 200 разных клеточных фенотипов в
организме человека отличаются тем,
какие гены в них экспрессируются, а
также сигналами, которые определяют
время экспрессии определенного гена
или набора генов.

5.

Регуляция экспрессии генов
• В клетках живых организмов экспрессия генов регулируется: одни гены
могут быть реализованы, другие — нет.
• Под регуляцией действия (экспрессией) генов подразумевается
их способность контролировать синтез функционального продукта —
белка.
• Правильная регуляция экспрессии генов важна не только для
приспособления организма к окружающей среде, но и для его
правильного развития.

6.

Регуляция экспрессии генов
• Регуляция может осуществляться на
разных уровнях

7.

Структура хроматина

8.

Структура хроматина

9.

Модификации хроматина
Метилирование ДНК — это модификация молекулы ДНК без изменения самой
нуклеотидной последовательности ДНК, которая заключается в присоединении
метильной группы.
Метилирование в
промоторной зоне гена, как
правило, приводит к
подавлению
соответствующего гена.
Ацетилирование ослабление связи между
ДНК и гистонами из-за
изменения заряда, в
результате чего хроматин
становится доступным
для факторов
транскрипции (обратный
процесс деацетилирование).

10.

11.

Нервная система
(ЦНС и вегетативная системы)

12.

Нервная система человека

13.

Центральная нервная система
человека

14.

Вегетативная нервная система
человека

15.

Лимбическая система человека

16.

Передача сигнала в НС

17.

Нейропластичность

18.

Гуморальная
регуляция.
Эндокринная
регуляция генов.
При гормональной регуляции гены активируются в ответ на
внешний химический сигнал (поступление в клетку определенного
гормона). Этот гормон запускает те гены, которые имеют
специфические последовательности нуклеотидов в регуляторных
областях.

19.

Эндокринная система человека

20.

Гипоталамо-гипофизарная система

21.

Эндокринная регуляция генов
При гормональной регуляции гены активируются в ответ на внешний химический
сигнал (поступление в клетку определенного гормона). Этот гормон запускает те
гены, которые имеют специфические последовательности нуклеотидов в
регуляторных областях.

22.

Взаимодействие нервной и эндокринной систем
в регуляции генетических процессов
В 50-60 г.г. в исследованиях М.Е. Лобашева и его последователей В.В. Пономаренко и
Н.Г. Лопатиной сложились первые представления о взаимодействии нервной и
эндокринной систем в регуляции генетических процессов. Был сделан вывод о том, что
каждый генетический процесс протекает в организме не изолированно, а в
тесной зависимости с другими, сопряженными с ним процессами. Было
показано, что нейроэндокринной регуляции принадлежит ведущая роль в
установлении взаимосвязи генетических процессов на уровне целостного организма.

23.

Процесс нейроэндокринной
регуляции
• Гипотеза нейроэндокринной регуляции процесса реализации
генетической информации предполагает существование на
молекулярном уровне общих механизмов, обеспечивающих как
регуляцию активности нервной системы, так и регуляторные
воздействия на хромосомный аппарат.
• Одна из существенных функций нервной системы – регулирование
активности генетического аппарата по принципу обратной связи в
соответствии с текущими нуждами организма, влиянием среды и
индивидуальным опытом.

24.

Процесс нейроэндокринной регуляции
ГИПОТАЛАМУС
НЕЙРОГОРМОНЫ (РИЛИЗИНГ-ФАКТОРЫ)
ЛИБЕРИНЫ (УСИЛИВАЮТ РАБОТУ ГИПОФИЗА) И СТАТИНЫ
(ТОРМОЗЯТ)
ГИПОФИЗ
ТРОПНЫЕ ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА
Деятельность желез внутренней секреции
ИЗМЕНЕНИЕ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА
ИЗМЕНЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ

25.

Исследования В.В. Пономаренко и
Н.Г. Лопатиной в опытах на мышах
• Было показано, что изменение генной активности (частоты митозов и
хромосомных аберраций) в клетках роговицы глаза может возникать по
условно-рефлекторному принципу, т.е. в ответ на сенсорный стимул
(свет), ранее связанный с болевым раздражителем (электрическим
током).

26.

Исследования, выполненные Л.В.
Крушинским и соавторами
• В 60 г.г. 20 века было установлено, что появление ряда
генетически детерминированных поведенческих актов
зависит от уровня возбуждения ЦНС. Показана отчетливая
положительная связь между общей возбудимостью
животного, а также проявлением и степенью выраженности
генетически обусловленных оборонительных рефлексов у
собак.
• Также были обнаружены прямые корреляции между
уровнем РНК в нейронах и уровнем возбуждения ЦНС, т.е.
сенсорная стимуляция, обучение и другие воздействия,
повышающие возбудимость нервной системы,
сопровождаются увеличением содержания РНК в нервной
ткани.

27.

Исследования Л.В. Витвицкой, 1991г.
• Было показано, что экспрессия генов у животных может изменяться в
зависимости от степени информационного разнообразия окружающей
среды: чем более обогащена среда, тем выше экспрессия генов.
• Связующим звеном между ЦНС и генной системой являются гормоны.
Роль гормонов в регуляции генной активности выступает в
исследованиях влияния эмоционального стресса на генетические
процессы.
Стресс – неспецифическая системная реакция, обусловливающая
привлечение энергетических ресурсов для адаптации организма к новым
условиям.
• Стресс возникает в ответ на угрозу целостности организма, в том числе и
нематериализовавшуюся.
• Стресс является защитно-адаптационной реакцией.

28.

Что характеризует стресс:
Стресс характеризуется стадийностью:
- начало стресса – фаза тревоги. Энергозатратная
фаза, характеризуется напряжением всех функций, в
том числе и психических.
- вторая фаза – резистентность. Происходит
мобилизация оставшихся энергетических ресурсов,
усиление всех процессов, при этом сохраняется
относительно высокий функциональный уровень.
- третья фаза стресса – истощение. Подавление
психических и висцеральных функций.

29.

Природа стресса
В основе стресса лежит принцип редукции физиологических и
нейрохимических механизмов. При стрессе наблюдается значительное
снижение сенсорных порогов (в том числе и болевых) и минимизации
дисперсии вегетативных параметров.

30.

Три базовые системы защиты при стрессе:
•стресс-реализующая (САС –
симпато-адреналовая система)выходит на пик активности
непосредственно вслед за
стресс-сигналом, обеспечивая
реализацию первой фазы
стресса.
•Продолжительность ее
невелика (минуты, часы), после
чего наблюдается истощение
нейрохимических механизмов
САС.
•Этот нейроэндокринный
комплекс обеспечивает
активацию висцеральных
систем.

31.

Три базовые системы защиты при стрессе:
• Норадреналин
и
адреналин
(гормоны
мозгового
вещества
надпочечников)
обспечивают
комплект
реакций
гиперэргического
типа
–
увеличение
катаболизма в тканях, усиление вентиляции
легких, активизацию сердечной деятельности,
перераспределение
кровотёока
в
пользу
скелетной мускулатуры, сердца и мозга.
Задача – обеспечить борьбу или бегство.

32.

Три базовые системы защиты при стрессе:
•стресс-потенцирующая (ГГАС –
гипоталамо-гипофизарно-адреналовая
система)- нейроэндокринная ось,
которая запускается адренергическим
сигналом и обеспечивает устойчивость 2
фазы стресса, поддерживая
сравнительно высокий уровень
энергетики и работоспособность
организма.
•Большинство компонентов этой системы
–пептиды, обладающие медиаторной и
гормональной активностью. Так,
кортиколиберин активирует
двигательную и поисковую активность,
АКТГ (адренокортикотропный гормон)
стимулирует кору надпочечников и
стимулирует запоминание.
•Кортикостероиды ( в данной оси )
стимулируют катаболизм.

33.

Три базовые системы защиты при стрессе:
•стресс-лимитирующая
(ЭОС – эндогенная
опиоидная система и система ГАМК) проявляет
свою активность с первых минут защитной
реакции, ограничивая избыточные эффекты
двух первых систем.
•После
того,
как
они
исчерпают
свои
возможности, ЭОС начинает доминировать,
предопределяя течение завершающей стадии
стресса.
•При этом наступает гипобиотическое состояние,
которое позволяет
ресурсы.
•Комплект
экономить
энергетические
морфиноподобных
пептидов
(эндорфины, энкефалины, динорфины и др.) с
выраженным
тормозным
действием
на
большинство систем организма, реализующимся
через
опиатные
рецепторы
(в основном,
пресинаптическое торможение)

34.

Исследования Д.К. Беляева
•Д.К.
Беляев показал, что у мыши под влиянием эмоционального
иммобилизационного стресса существенно изменяется способность к
воспроизведению потомства.
•Мыши
разных генетических линий по-разному реагировали на стресс:
при сравнении показателей воспроизводства в обычных условиях и при
стрессе изменялись ранги животных с разными генотипами в отношении
функции воспроизводства, т.е. стресс изменяет внутрипопуляционную
генетическую изменчивость и селективная ценность животных разных
генотипов в нормальных условиях и при стрессе оказывается
неодинаковой.
•По-мнению Д.К. Беляева эти данные свидетельствуют о наличии прямой
и обратной связи между мозгом и генами. Ключевая роль в этом процессе
принадлежит стрессу, играющему роль внутреннего механизма регуляции
наследственной изменчивости и эволюционного процесса. Стресс изменяет
активность генома.

35.

Роль стресса в регуляции генетических
процессов
1.Стресс модифицирует и интегрирует деятельность
четырех уровней:
- генного;
- эндокринного;
- нервного;
- психического.
2. Эмоциональный стресс, т.о., является регулятором
активности генов в индивидуальном развитии и в
эволюции.

36.

Регуляция генов
Конденсация и деконденсация хроматина. Это наиболее универсальный метод регуляции транскрипции. Когда нужно экспрессировать определенные гены,
хроматин в этом месте деконденсируется.
Альтернативные промоторы. У гена может быть несколько промоторов, каждый из которых начинает транскрипцию с разных его экзонов в зависимости от типа
клетки. В конечном итоге будут синтезированы разные белки.
Метилирование и деметилирование ДНК. Метилирование ДНК происходит в регуляторных областях гена. Метилируется цитозин в последовательности ЦГ,
после чего ген инактивируется. При деметилировании активность гена восстанавливается. Процесс регулируется ферментом метилтрансферазой.
Гормональная регуляция. При гормональной регуляции гены активируются в ответ на внешний химический сигнал (поступление в клетку определенного
гормона). Этот гормон запускает те гены, которые имеют специфические последовательности нуклеотидов в регуляторных областях.
Геномный импринтинг. Это малоизученный способ регуляции экспрессии генов у эукариот. Он возможен только у диплоидных организмов и выражается в том ,
что активность генов зависит, от какого из родителей они были получены. Выключение генов осуществляется путем метилирования ДНК.
Альтернативный сплайсинг. Это регуляция на уровне процессинга. При альтернативном сплайсинге порядок сшивки экзонов может быть различным. Отсюда
следует, что на основе одной и той же нуклеотидной последовательности ДНК могут быть синтезированы разные белки. Хотя их отли чие друг от друга будет в
основном заключаться лишь в разных сочетаниях одних и тех же аминокислот.
Тканеспецифическое редактирование РНК также протекает на уровне процессинга. Выражается в замене отдельных нуклеотидов в РНК в определенных
тканях организма. Кроме того, у эукариот иРНК часто не подвергается процессингу вообще (а распадается) или подвергается с задержкой. Это токже можно
рассматривать как способ регуляции экспрессии генов.
Регуляция стабильности иРНК. У эукариот существует регуляция и на уровне трансляции, когда готовые иРНК не «допускаются» к рибосомам или
разрушаются. Другие же иРНК могут дополнительно стабилизироваться для многократного использования.
Посттрансляционная модификация белка. Чтобы молекула полипептида превратилась в активную молекулу белка, в ней должны произойти различные
модификации определенных аминокислот, должны быть сформированы вторичная, третичная и возможно четверичная структуры. На этом этапе также можно
повлиять на реализацию генетической информации, например, не дав молекуле сформироваться.
Риборегуляторы. Были обнаружены РНК, выполняющие регуляторные функции путем ослабления работы отдельных генов.

37.

Взаимодействие нервной и эндокринной
систем в регуляции генетических процессов
Главным звеном, связывающим нервную систему и генетическую,
являются гормоны. На это существуют две причины:
• Уровень
активности гормонов зависит от функционального состояния
нервной системы.
• Гормоны
рассматриваются
как
специфические
функциональной активности генов. Они выступают
посредников в регуляции транскрипции.
индукторы
в качестве

38.

Регуляция генов

39.

Благодарю за
внимание