Кратко и по существу — сравнение и причины дополнительных уровней контроля у многоклеточных.
Основные различия в регуляции про‑ и эукариот (по уровням):
- Организация генома и доступность ДНК
- Прокариоты: компактный геном, гены часто в оперонах (несколько генов под одним промотором), отсутствии нуклеосом — доступ к ДНК быстрый. Примеры: lac‑оперон, trp‑оперон.
- Эукариоты: хроматин (нуклеосомы, гистоны) регулирует доступ; структурная организация (хроматиновые домены, TAD, изоляторы) важна для регуляции.
- Транскрипционная регуляция
- Прокариоты: основной контроль на инициации транскрипции (регуляторные белки, sigma‑факторы, репрессоры/активаторы); быстрый ответ на среду.
- Эукариоты: сложная комбинация промоторов, энхансеров/супрессоров, специфических и общих транскрипционных факторов; дистанционные элементы действуют через петли ДНК.
- Посттранскрипционная обработка РНК
- Прокариоты: малая обработка, транскрипция и трансляция координированы.
- Эукариоты: сплайсинг (альтернативный сплайсинг), кэпирование, полиаденилирование — создают множество изоформ и тканеспецифичность.
- Регуляция трансляции
- Прокариоты: регуляция через Shine‑Dalgarno, рибосвитчи, sRNA.
- Эукариоты: регуляция инициативы (eIF), uORF, miRNA/siRNA контролируют стабильность и трансляцию мРНК.
- НК‑РНК и эпигенетика
- Прокариоты: короткие sRNA, CRISPR как защита.
- Эукариоты: широкий спектр ncRNA (miRNA, lncRNA) и эпигенетических меток: метилирование ДНК, модификации гистонов; это обеспечивает наследуемые безизменные состояния экспрессии (эпигенетическая память).
- Посттрансляционные модификации и локализация
- Прокариоты: модификации и быстрый протеолиз, но меньше сложной локализации.
- Эукариоты: фосфорилирование, убиквитинирование, гликозилирование, транспорт между компартментами — управляют активностью, сроком жизни и локализацией белков.
- Скорость и масштаб отклика
- Прокариоты: быстрые, прямые переключения (экономия ресурсов).
- Эукариоты: медленнее, но гибче и более точные пространственно‑временные программы.
Почему у многоклеточных появились дополнительные уровни контроля:
1. Специализация клеток и тканевая специфичность
- Требуется разная экспрессия одних и тех же генов в разных клетках и временных точках.
2. Пространственно‑временная регуляция развития
- Развитие и морфогенез нуждаются в градиентах сигналов, многокомпонентных регуляторных сетях и памяти активного/неактивного состояния генов.
3. Комбинаторная сложность при ограниченном числе факторов
- Комбинация $n$ факторов может давать до $2^n$ различных состояний экспрессии, что экономит генетический «арсенал» и даёт гибкость.
4. Надёжность, буферизация шума и устойчивость программ
- Эпигенетические механизмы и многоуровневая регуляция снижают флуктуации и обеспечивают стабильность дифференцировки.
5. Управление большими геномами и мобильными элементами
- Метилирование и хроматиновая упаковка подавляют транпозоны и контролируют крупные регуляторные области.
6. Межклеточная коммуникация и согласование функций
- Необходимость интеграции сигналов от соседей и гормонов привела к дополнительным регуляторным механизмам (рецепторы, каскады сигнальной передачи, тканеспецифические энхансеры).
Заключение: у прокариот доминирует горизонтально ориентированный, быстрый контроль на уровне транскрипции, оптимизированный для реагирования на среду. У эукариот, особенно многоклеточных, развились дополнительные слои (хроматин, обработка РНК, ncRNA, эпигенетика, компартментализация и т. д.), потому что они обеспечивают пространственно‑временную точность, наследуемость состояний и масштабируемую комбинаторную регуляцию, необходимые для дифференцировки и координации множества специализированных клеток.