Механизм регуляции биосинтеза белков в эукариотических изучено гораздо меньше, чем у прокариот. В последние годы благодаря исследованиям в области генной инженерии был достигнут значительный прогресс в понимании экспрессии эукариотических генов.
Считают, что основные принципы регуляции в них аналогичные прокариот, но в целом этот процесс сложным и происходит иначе. У эукариот существует ряд точек приложения регуляторных влияний, которые абсолютно отсутствуют в прокариот. Для эукариот не характерна прямая субстратная регуляция, распространенная в прокариот. В еукари-отив не найдено регуляторных белков типа белков-репрессор бактерий, которые сочетают в себе функции распознавателя химических сигналов метаболизма (специфически связывают свои метаболиты) и регулятора транскрипции оперона. У млекопитающих и высших растений хроматин, организован в хромосомы, построенный значительно сложнее, чем у бактерий. Генетический материал находится в ядре, которое окружается ядерной мембраной. Поэтому процессы транскрипции (ядро) и трансляции (цитоплазма) разделены, поскольку рибосомы находятся в основном в цитоплазме. Экспрессия генов в эукариот состоит из гораздо большего количества этапов, чем у прокариот, особенно это касается процессы на-гу пре-мРНК. Сложным является и обратная связь - влияние метаболитов и других химических регуляторов цитоплазмы на активность генов (легко осуществляется у бактерий). Отличие в регуляции обусловлена также межклеточными взаимодействиями, дифференциацией клеток. В отличие от прокариот, оперона эукариот, как правило, моноцистронни, с очень большими регуляторными зонами. Это связано с их способностью воспринимать большое количество различных факторов, которые изменяют транскрипционных активность. В эукариот структурные гены, отвечающие за различные звенья того или иного цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном оперона, что часто наблюдается в прокариот. В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессированному состоянии: время в среднем считываются только около 10% генов.
Все структурные гены эукариот условно делят на три типа: а) гены, которые функционируют во всех клетках организма (например, гены, отвечающие за синтез ферментов энергетического обмена), б) гены, которые функционируют только в тканях одного типа (в частности, синтез миозина в мышечной ткани) в) гены, необходимые для выполнения клетками специфических функций (например, синтез белка хрусталика).
Было показано, что на экспрессию эукариотических генов влияет амплификация и перестройка генов. Известно, что в формировании хроматина участвуют ДНК, белки и небольшое количество РНК. ДНК ассоциируется с гистонами и негистоновимы белками. Установлено, что гистоны и негистонови белки (НГБ) играют важную роль в проявлении активности генома. Так, в опытах на животных было показано, что при удалении гистонов путем расщепления трипсином, активируется синтез РНК и белков. При добавлении гистонов эти процессы подавлялись. У прокариот гистоны отсутствуют. Гистоны содержат большое количество остатков диаминомонокарбонових кислот (аргинина, лизина) и имеют положительный заряд. Поэтому они легко связываются с отрицательно заряженными остатками фосфорной кислоты полинуклеотидных цепей ДНК и блокируют процесс РНК-полимеразной реакции. Гистоны больше, по сравнению с другими белками, испытывают модификации. Они могут фосфорилюватися за счет АТФ в присутствии фермента протеинкиназы, а также ацетилюватися и метилюватися, что приводит к ослаблению или нейтрализации положительного заряда. Вследствие этого гистоны изменяют уровень укладки ДНК и, таким образом, регулируют ее матричную активность, т.е. теряют свою тормозную способность, так как ослабляется связь между ДНК и гистонами.
Небольшая разнообразие и гетерогенность гистоновых белков (всего 5 различных фракций, хотя модификация и увеличивает их количество) не позволяет полностью объяснить регуляцию функциональной активности ДНК. В связи с этим большое внимание уделяется НГБ, в состав которых 400 входит более кислых белков, содержащих остатки моноаминодикар-боновых кислот. Негистонови белки отличаются большим разнообразием. Известно около 500-600 фракций, поэтому считается, что они выполняют роль специфических регуляторов транскрипции. Они несут отрицательный заряд, но могут быть также связанными непосредственно с ДНК, причем не вообще с любыми ее участками, а специфически, облегчая транскрипцию в месте связывания с ДНК. Они, как и гистоны, могут в составе хроматина оборотно модифицироваться благодаря реакциям фосфорилирования, метилирования, ацетилирования, АДФ-рибозилювання и др.., При этом изменяется прочность связи с ДНК и количество мест инициации транскрипции. Однако еще недостаточно изучено молекулярный механизм включения транскрипции негистоновы-ми белками. Возможно, приобретая большого отрицательного заряда, они либо образуют комплекс с положительно заряженными гистонами, оттесняя их в определенном участке от ДНК, или дестабилизируют молекулу ДНК, взаимодействуя непосредственно с ней. Этим облегчаются процессы транскрипции. На рис. 83 представлено примерную схему регуляции транскрипции белками хроматина.
Третий тип регуляторов транскрипции - это молекулы, так называемой векторной РНК, которая находится в ядре, не оставляя его в комплексе с белком в виде рибонуклеопротеину (РНП), который может избирательно включать гены путем комплементарной взаимодействия с акцепте-Торн участками транскриптонив. Гистоны, негистонови белки и векторная РНК неравномерно распределены вдоль полинуклеотидных цепей ДНК хроматина. Отдельные участки остаются свободными. Все это обусловливает разную степень розрепресованости отдельных участков ДНК. Состояние ДНК у прокариот отличается по сравнению с эукариотической клетки. В бактериальной клетке ДНК находится в относительно свободной форме.
В эукариотических организмов широко распространенная регуляция активности генов особыми сигнальными веществами, которые вырабатываются другими клетками. Примерами таких сигнальных соединений могут быть гормоны, которые действуют на клетки-мишени (см. Гормоны), нейромедиаторы, биогенные амины. Например, индукторами могут быть некоторые стероидные гормоны, тироксин, которые легко проходят клеточную мембрану, образуют в цитоплазме клетки комплексы со специфическими белками-рецепторами, изменяя их конформацию. В активированной форме гормон-рецепторный комплекс проникает в ядро, где, связываясь с регуляторными белками хроматина (гистоны, НГБ) или ДНК, способствуют их модификации благодаря или прямом связыванию с ними, или активации ферментов, осуществляющих фосфорилирование, ацетилирование , метилирования, регулируя при этом транскрипцию «своих» генов и синтез специфических белков. Любой из этих механизмов облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором и обеспечивает образование пре-мРНК, а затем - и белка.
Многие гормоны (адреналин, глюкагон и др.). Сочетаются с рецепторами мембран клеток и влияют на синтез белка через систему цАМФ-протеинкиназы, а следовательно, на процесс фосфорилирования различных белков, в том числе и хроматиновыми. Фосфорилирования белков хроматина влияет на экспрессию генов, контролируя тем самым скорость синтеза ферментов и других белков. После прекращения действия индуктора происходит отщепление модифицирующих групп от гистонов и они, снова соединяясь с ДНК, прекращают транскрипцию. НГБ испытывают таких же изменений. В эукариот, в отличие от прокариот, блокада транскрипции не означает еще прекращения биосинтеза белка, поскольку мРНК, образующиеся стабильные и дольше существуют, что позволяет использовать их как матрицу для синтеза белка на рибосомах и после того, как образование новых мРНК при транскрипции уже заблокированы.
Регуляция на уровне трансляции возможна благодаря действию регуляторов на различные белковые факторы, которые контролируют в рибосомах различные этапы трансляции, и на разные функциональные участки рибосом.
Таким образом, пути регуляции биосинтеза белка в эукариотических многочисленные и взаимосвязаны. Но конкретные молекулярные механизмы этой регуляции еще изучаются.