Ekspresija eukariotskih gena

Regulacija ekspresije eukariotskih gena odvija se na nekoliko razina. Prva razina regulacije odnosi se na strukturu kromatina i njegovo remodeliranje u jezgri, a zatim slijedi još 6 razina regulacije: transkripcijska kontrola, RNA-procesiranje, transport RNA u citoplazmu, razgradnja RNA, translacijska kontrola, aktiviranje proteina (slike 16.2.a. i b.).

Struktura kromatina igra važnu ulogu u regulaciji ekspresije eukariotskih gena. Normalna struktura kromatina koju čine osnovne jedinice pakiranja, nukleosomi, održava nisku razinu bazalne transkripcijske aktivnosti.
Aktivacija gena zahtijeva remodeliranje kromatinske strukture u promotorskim regijama jer nukleosomi sjede povrh promotorskih regija gena koji su inaktivni. Proteinski kompleksi premještaju nukleosome oslobađajući time promotorsku regiju što omogućava aktivaciju gena.
Na transkripcijsku aktivnost kromatina utječe modifikacija aminokiselina (metiliranje i acetiliranje i dr.) u histonskim proteinima, a metiliranje DNA (citozina) također je jedan od važnih mehanizama kontrole transkripcije (osobito u kralježnjaka).

Nukleosomi igraju važnu ulogu u regulaciji ekspresije gena. DNA pakirana s histonima u nukleosome ima nižu stopu transkripcije od DNA bez nukleosoma. Regije DNA koje nisu povezane s histonima u nukleosome nazivamo nukleazna hipersenzitivna mjesta (NHM) – mjesta osjetljiva na razgradnju nukleazama. Imaju važne funkcije u replikaciji i transkripciji. Tu spadaju npr. promotorske regije gena koji su stalno aktivni.

Iako neke DNA-sekvencije ostaju uvijek slobodne od nukleosoma i tako dozvoljavaju pristup različitim enzimima (DNA-, RNA-polimeraza i dr.), u većini slučajeva se nukleosomi nalaze na promotorima gena i tako sprječavaju transkripciju. Stoga da bi počela transkripcija nekog gena treba doći do remoduliranja kromatina (slika 16.3.).

To se događa:

Dinamičke promjene kromatina događaju se kroz cijeli život stanice. Te promjene uključuju pozicioniranje i remodeliranje nukleosoma uz pomoć remodelirajućih proteinskih kompleksa. Tri su mehanizma koji to omogućuju: a) promjena mjesta nukleosoma b) promjena mjesta histonskog oktamera s jedne molekule DNA na drugu molekulu DNA i c) promjena u konformaciji nukleosoma (histonske varijante).

Kovalentne modifikacije histona uzrokuju promjene strukture kromatina što dovodi do: aktivacije gena (npr. acetilacijom histona) ili utišavanja gena (deacetilacijom ili metilacijom histona). To su posttranslacijske modifikacije pojedinih aminokiselinskih pozicija u histonima, a obavljaju ih visoko specifični enzimi. Te modifikacije uzrokuju aktivaciju ili inaktivaciju gena zbog otvorenog ili zatvorenog stanja kromatina (slika 16.3.). Transkripcijski status kromatina nekog genomskog područja određuje njegov histonski kod.

Modifikacija kromatina i aktivnost gena može se povezati i sa stupnjem metilacije DNA (slika 16.3.). DNA se metilira na citozinskim ostacima koji prethode gvaninima u polinukleotidnom lancu, tzv. CpG dinukleotidi (ili otoci). Dodavanjem metilne skupine na ⁵C-atom citozina nastaje 5-metilcitozin. CpG-otoci nalaze se blizu ili unutar promotora gena kod  kralježnjaka i biljaka. U sisavaca heterokromatinske regije kromosoma povezujemo sa DNA-metilacijom. Metiliranje inhibira transkripciju gena (utišavanje gena, engl. transcriptional silencing).

Geni koji su stalno aktivni nisu metilirani. To su održavateljski geni (engl. housekeeping genes) koji kodiraju za proteine potrebne za funkcioniranje svih staničnih tipova u organizmu. Aktivnost drugih gena je visoko regulirana što znači da su neki geni aktivni u nekim tkivima dok u drugima nisu. Nazivamo ih tkivno-specifični geni i njihova je ekspresija regulirana upravo metilacijom CpG-dinukleotida.

Metilacija ne sprječava replikaciju molekule DNA. Nakon replikacije, CG-sekvencije su hemimetilirane (metilacija citozina jednoga “starog” lanca DNA) što prepoznaje DNA-metiltransferaza I, enzim koji dodaje metilnu skupinu na CG-sekvencije novo-sintetiziranog lanca DNA (slika 16.4.) i tako održava metilaciju.

Kada u nekoj stanici čija DNA nije metilirana dođe do metilacije to je metilacija de novo. Metilacija se dalje nasljeđuje diobom i mehanizmom održavanja.