Транскрипционный контроль экспрессии ферментов

Транскрипционный контроль экспрессии ферментов — это регуляция количества фермента, производимого клеткой, посредством настройки транскрипции кодирующих его генов. Увеличивая или уменьшая экспрессию генов ферментов в ответ на нутритивные, гормональные и сигналы развития, клетки изменяют количество присутствующего фермента в течение часов, а не секунд, дополняя быстрый контроль активности посредством аллостерии и ковалентной модификации.

Definition

Транскрипционный контроль экспрессии ферментов — это регуляция количества ферментов, достигаемая путем контроля скорости транскрипции генов, кодирующих ферменты, обычно через связывание факторов транскрипции с регуляторными элементами ДНК и через состояние хроматина этих генов, тем самым определяя, сколько ферментного белка синтезируется.

Scope

Эта статья охватывает логику регуляции количества ферментов через экспрессию генов, включая факторы транскрипции, элементы ответа, состояние хроматина и более медленный временной масштаб этого контроля по сравнению с посттрансляционными механизмами. Это справочная тема в области регуляции ферментов и не содержит клинических или терапевтических рекомендаций.

Core questions

• Как изменение транскрипции гена фермента регулирует метаболизм?
• Почему транскрипционный контроль медленнее аллостерического или ковалентного контроля?
• Как факторы транскрипции воспринимают метаболическое состояние и регулируют синтез ферментов?
• Как структура хроматина влияет на экспрессию гена фермента?

Key concepts

• Факторы транскрипции и элементы ответа
• Индуцибельные против конститутивных генов ферментов
• Обратная связь в контроле количества ферментов
• Модификация хроматина и доступность
• Гормональная и нутритивная индукция
• Медленный временной масштаб по сравнению с посттрансляционным контролем

Key theories

Регулируемая стеролами транскрипция метаболических ферментов

Браун и Голдштейн показали, что факторы транскрипции SREBP удерживаются в мембране и высвобождаются регулируемым протеолизом при низком уровне стеролов, затем активируют транскрипцию генов ферментов, синтезирующих холестерин и жирные кислоты, иллюстрируя контроль обратной связи количества ферментов на уровне транскрипции.

Mechanisms

Чтобы изменить количество присутствующего фермента, клетки регулируют транскрипцию соответствующих генов. Специфичные к последовательности факторы транскрипции связываются с регуляторными элементами ДНК вблизи гена и рекрутируют или блокируют транскрипционный аппарат, увеличивая или уменьшая производство матричной РНК и, следовательно, ферментного белка. Эти факторы часто действуют как сенсоры: гормоны, питательные вещества и метаболиты изменяют их активность, как в системе SREBP, где низкий уровень стеролов вызывает регулируемый протеолиз, который высвобождает активный фактор транскрипции для включения ферментов, синтезирующих липиды. Доступность генов ферментов дополнительно регулируется модификациями хроматина, которые открывают или закрывают области ДНК для транскрипции. Поскольку этот контроль требует синтеза и оборота мРНК и белка, он действует в течение часов и регулирует стационарные уровни ферментов для устойчивых изменений в потребности; последующий трансляционный контроль добавляет дополнительный уровень к скорости синтеза белка.

Clinical relevance

Многие гормональные и метаболические адаптации, а также действие нескольких классов лекарств, работают путем изменения транскрипции генов ферментов, поэтому этот контроль является основополагающим для биохимии в медицине. Эта статья описывает механизм для справки и не является основой для диагностики или принятия решений о лечении.

History

Регулируемый синтез ферментов был впервые установлен у бактерий в ходе исследований индуцибельных и репрессибельных оперонов в середине двадцатого века, которые показали, что транскрипция генов может быть переключена в ответ на питательные вещества. У эукариот открытие специфических факторов транскрипции и элементов ответа распространило этот принцип на контроль метаболических ферментов, примером чего является путь SREBP Брауна и Голдштейна. Признание модификации хроматина, синтезированной Кузаридесом, добавило эпигенетический уровень, в то время как работы по инициации трансляции расширили представление о том, как устанавливается количество ферментов.

Key figures

• Michael Brown
• Joseph Goldstein
• Tony Kouzarides
• Nahum Sonenberg

Seminal works

• brown-goldstein-1997
• kouzarides-2007

Frequently asked questions

Чем транскрипционный контроль отличается от аллостерического контроля фермента?

Аллостерический контроль изменяет активность уже присутствующих молекул фермента в течение секунд, тогда как транскрипционный контроль изменяет количество молекул фермента, производимых клеткой, действуя в течение часов.

Что такое индуцибельный фермент?

Это фермент, ген которого транскрибируется и транслируется только при наличии специфического сигнала, поэтому клетка производит фермент, когда он необходим, а не постоянно.