Хронологически развернуто и по уровням — кратко с пояснениями.
1) Уровень хроматина (эпигенетика)
- Структура: ДНК упакована в нуклеосомы → конденсация/декомпрессия контролируют доступ факторов транскрипции. Механизмы:
- Модификации гистонов (ацетилирование, метилирование, убиквитинирование и др.). Ацетилирование (потом HATs) нейтрализует положительный заряд гистонов → ослабляет связывание с ДНК и способствует открытию; деацетилация (HDACs) — сжатие. Типичные метки: активирующие — $H3K4me3$, $H3K27ac$; репрессивные — $H3K27me3$, $H2AK119ub$.
- Метилирование ДНК (цитозин → 5‑метилцитозин) ферментами DNMT → препятствует связыванию некоторых транскрипционных факторов и/или привлекает репрессорные комплексы (MBD → HDAC и др.).
- Хроматин‑ремоделирующие комплексы (SWI/SNF, ISWI, CHD) переносят/вытесняют нуклеосомы, создают доступ к промоторам/энхансерам.
- Пространственная организация: петли ДНК, контакты энхансер–промотор, супервключатели (super‑enhancers), границы (CTCF/cohesin) формируют регуляторную архитектуру.
- Итог: эпигенетические метки и ремоделирование задают «потенциал» гена — активируем ли он при поступлении сигнала.
2) Уровень транскрипции
- Промоторы/энхансеры/супрессоры: транскрипционные факторы (TF) связываются с ДНК и рекрутируют коактиваторы (Mediator, HATs) или корепрессоры (HDACs, PRC).
- Пионер‑факторы (например, Oct4, Sox2, MyoD) способны связываться с закрытым хроматином и инициировать открытие; они задают компетентность клетки к программам экспрессии.
- Комплексы препинирования и релиза: РНК‑полимераза II часто инициирует и «останавливается» (paused Pol II); релиз в продуктивную элонгацию регулируется P‑TEFb, сигналами и хроматином.
- Координация: энхансеры формируют петли с промотором (через Mediator/кохезин), усиливая сборку PIC (pre‑initiation complex).
- Примечание: модификации гистонов на энхансерах (например, «прайминг» — $H3K4me1$ без $H3K27ac$) предвещают последующую активацию.
3) Уровень посттранскрипции (мРНК‑уровень и трансляция)
- Альтернативный сплайсинг: выбор экзонов зависит от РНК‑связывающих белков (SR-протеинов, hnRNP) и от скорости элонгации Pol II; хроматин и метки гистонов влияют на сплайс‑сайты через связывание адаптеров.
- Процессинг 5'Cap и полиаденилирование; альтернативные полиА‑сайты влияют на стабильность и локализацию мРНК.
- Управление стабильностью: ARE‑элементы, RBP (например, HuR) и микрРНК индуцируют декапинг, деаденилирование и деградацию.
- miRNA/siRNA: связываются с 3'UTR мРНК → репрессия трансляции и/или деградация (RISC).
- NMD (nonsense‑mediated decay) удаляет транскрипты с преждевременными стоп‑кодонами.
- Контроль трансляции: инициация (eIF4E, 4E‑BP), uORF, локальная трансляция (нейроны) — критичны для пространственной экспрессии белка.
4) Взаимодействие уровней в процессе дифференцировки — примеры
- Эмбриональные стволовые клетки (ESC) и «двойственные» (bivalent) домены:
- Гены судьбы часто в ESC несут одновременно активирующую и репрессивную метки $H3K4me3/H3K27me3$ (bivalent). Это «праймит» — ген молчит, но при дифференцировке либо теряет $H3K27me3$ (активация), либо теряет $H3K4me3$ (консолидация репрессии). PRC2 формирует $H3K27me3$; деметилазы (KDM6A/B) снимают репрессию → рекрутируются TF и Pol II.
- Мышечная дифференцировка (MyoD как пионер):
- MyoD связывается с закрытыми энхансерами мышечных генов, рекрутирует SWI/SNF → снятие нуклеосом, HATs ацетилируют гистоны ($H3K27ac$) → образование активных энхансеров и подключение Pol II. Параллельно miR‑1/miR‑133 регулируют посттранскрипционно факторы, усиливая миогенез.
- Нейронная дифференцировка (REST / PTBP переключение):
- В ненейронных клетках REST репрессирует нейрональные гены, рекрутируя HDAC/CoREST; при нейрогенезе REST деградируется/теряется → открытие хроматина и экспрессия. Одновременно происходит смена RBP: PTBP1 (не‑нейрональный) → PTBP2 (нейрональный), что меняет сплайсинг ключевых транскриптов, обеспечивая нейрональную программу.
- Гемопоэз (GATA1 ↔ PU.1 антагонизм):
- TF конкурируют за сайты, их уровни и эпигенетический статус промоторов/энхансеров (метилирование ДНК, гистоновые модификации) фиксируют судьбу клетки; DNA‑метилирование может «закрепить» одно направление, предотвращая обратную дифференцировку.
5) Связки между уровнями (механистическая интеграция)
- Хроматин ↔ транскрипция: модификации гистонов и ремоделинг регулируют доступ TF и Pol II; TF и коактиваторы изменяют хроматин (обратная связь).
- Транскрипция ↔ сплайсинг: скорость элонгации Pol II и набор хроматиновых маркеров модифицируют узнавание сплайс‑сайтов → разные изоформы белков, которые по‑разному влияют на клеточную судьбу.
- Хроматин ↔ посттранскрипция: метки могут привлекать факторы, влияющие на поставку/процессинг РНК; lncRNA и eRNA, произведённые с энхансеров, могут рекрутировать хроматин‑модификаторы к целевым локусам.
- miRNA и RBP действуют как «фильтр/усилитель» — убирают шум транскрипционной активации и обеспечивают точную динамику и порог ответов при дифференцировке.
Краткий вывод: регуляция экспрессии у эукариот многоуровневая и иерархическая: эпигенетический/хроматиновый статус задаёт потенциал, транскрипционные факторы и комплексы реализуют программу, а посттранскрипционные механизмы уточняют и стабилизируют итоговый профиль белков. В процессе дифференцировки эти уровни тесно взаимодействуют (пионер‑факторы → хроматин → энхансерная активация → Pol II → ко‑трансляционный сплайсинг/miRNA), что обеспечивает надёжную смену клеточных состояний.