2) транскрипции ДНК
3) созревания про-РНК
4) трансляции мРНК
Синтез белка регулируется на этапах реализации генетической информации: транскрипции, посттранскрипционной обработки РНК и трансляции. Синтез азотистых оснований относится к метаболизму пуринов и пиримидинов и обеспечивает образование компонентов нуклеотидов, но не содержит матричной информации о структуре конкретного белка. Поэтому этот процесс не рассматривается как непосредственный уровень регуляции экспрессии отдельного гена.
При транскрипции регулируется образование первичного РНК-транскрипта за счёт работы промоторов, энхансеров, репрессоров и транскрипционных факторов. Созревание про-РНК включает кэпирование, сплайсинг и полиаденилирование; альтернативный сплайсинг позволяет получать разные мРНК и белковые изоформы одного гена. На этапе трансляции регулируются доступность мРНК для рибосомы, преимущественно инициация, а также скорость элонгации и завершения синтеза полипептидной цепи.
Изменение синтеза азотистых оснований может косвенно влиять на клеточный метаболизм: дефицит нуклеотидов ограничивает синтез ДНК и РНК, а накопление отдельных метаболитов изменяет активность ферментов. Однако такая регуляция является общей метаболической, а не специфической регуляцией синтеза определённого белка, что и определяет правильность отмеченного ответа.
| Уровень | Основной процесс | Типичные регуляторные механизмы | Результат |
|---|---|---|---|
| Синтез азотистых оснований | Образование пуринов и пиримидинов для последующего синтеза нуклеотидов | Аллостерическая регуляция ферментов, ингибирование по принципу обратной связи | Изменение общего пула нуклеотидов; прямого управления конкретной мРНК нет |
| Транскрипция | Синтез первичного РНК-транскрипта на матрице ДНК | Активаторы и репрессоры, состояние хроматина, метилирование ДНК, модификации гистонов | Изменение количества образующейся про-РНК |
| Созревание про-РНК | Кэпирование, сплайсинг, полиаденилирование | Выбор сайтов сплайсинга, альтернативный сплайсинг, контроль качества РНК | Формирование зрелой мРНК и возможное образование белковых изоформ |
| Экспорт и стабильность мРНК | Выход мРНК из ядра и сохранение в цитоплазме | Связывание с РНК-связывающими белками, микроРНК, деградация экзосомами | Изменение времени жизни мРНК и её доступности для рибосом |
| Инициация трансляции | Присоединение рибосомы к мРНК и формирование инициирующего комплекса | Фосфорилирование факторов инициации, регуляция доступности 5′-нетранслируемой области | Наиболее быстрое изменение интенсивности синтеза белка |
| Элонгация и терминация | Последовательное присоединение аминокислот и освобождение полипептида | Доступность аминоацил-тРНК, активность факторов элонгации, распознавание стоп-кодона | Изменение скорости и полноты образования полипептидной цепи |
| После трансляции | Фолдинг, модификации и деградация белка | Фосфорилирование, гликозилирование, убиквитинирование, протеасомный распад | Изменение активности, локализации и продолжительности жизни белка |
Таким образом, специфическая экспрессия гена может контролироваться до, во время и после образования мРНК, а также на уровне готового белка. Нуклеотидный обмен создаёт субстраты для синтеза нуклеиновых кислот, но не определяет, какой именно белок будет синтезирован. Наиболее оперативным уровнем регуляции во многих клетках считается инициация трансляции, поскольку она быстро изменяет продукцию белка без перестройки генома.