10.1 : Клеточно-специфическая экспрессия генов

Многоклеточные организмы содержат множество структурно и функционально различных типов клеток, но ДНК во всех клетках произошла от одних и тех же родительских клеток. Различия в клетках могут быть вызваны дифференциальной экспрессией генов. Клетки печени, функции которых включают детоксикацию крови, выработку желчи для метаболизма жиров и синтез белков, необходимых для обмена веществ, для выполнения своих функций должны экспрессировать определенный набор генов. Экспрессия генов также зависит от стадии развития. До дифференцировки в клетки печени клетки экспрессируют гены, участвующие в клеточном цикле, репликации ДНК и пролиферации. На более позднем этапе развития сильно экспрессируются гены, участвующие в дифференцировке эпителия и свертывании крови. Как только клетки дифференцируются в гепатоциты, увеличивается экспрессия генов, участвующих в специфических для печени функциях, например тех, которые участвуют в метаболизме липидов и регуляции холестерина.

Экспрессия генов может регулироваться во многих точках, включая транскрипцию, трансляцию, процессинг и транспорт РНК, а также посттрансляционные модификации. Обычные методы регулирования экспрессии - это факторы, которые напрямую связываются с ДНК, чтобы регулировать транскрипцию определенного гена. Экспрессия генов в печени может регулироваться, среди прочего, факторами транскрипции C/EBPα, C/EBPβ и ядерным фактором гепатоцитов-1. Регуляция может происходить до транскрипции путем изменения гистонов, содержащихся в хроматине. Эти модификации приводят либо к расслаблению, либо к сжатию структуры ДНК, тем самым соответственно запрещая или позволяя регуляторам транскрипции получить доступ к ДНК. В различных типах клеток есть разные ковалентные модификации и варианты гистонов, что приводит к различиям в доступности генов.

Клетки подвержены изменениям окружающей среды и экспрессируют разные гены в ответ на эти внеклеточные стимулы. Глюкоза является важным источником энергии, и поскольку ее концентрация в кровотоке колеблется, организм должен реагировать соответствующими изменениями в экспрессии генов и белков. Когда уровень глюкозы в крови снижается, поджелудочная железа выделяет гормон глюкагон. Этот гормон дает сигнал печени инициировать выработку фосфоенолпируваткарбоксикиназы (ФЕПКК), белка, необходимого для производства глюкозы из неуглеводных предшественников. Глюкагон индуцирует транскрипцию этого гена, косвенно стимулируя факторы транскрипции C/EBPα и C/EBPβ связываться с промотором ФЕПКК. Когда уровень глюкозы в крови высок, поджелудочная железа выделяет гормон инсулин. Ген ФЕПКК имеет инсулино-чувствительную последовательность, которая ингибирует его транскрипцию.