WYKŁAD VII

EKSPRESJA INFORMACJI GENETYCZNEJ

czyli synteza RNA i białek

0. Po poznaniu struktury DNA (1953) stało się jasne, że informacja genetyczna w DNA zawiera KOD, w którym zaszyfrowana jest budowa wszystkich niezbędnych komórce białek.

0. W jaki sposób komórka przekształca informację genetyczną zawartą w DNA w sekwencje aminokwasów w białku, czyli w jaki sposób dochodzi do EKSPRESJI INFORMACJI GENETYCZNEJ?

Ekspresja genów odbywa się zasadniczo w 2 etapach:

0. 1. przepisanie sekwencji nukl. w DNA na RNA – TRANSKRYPCJA (w jądrze)

1. 2. przepisanie sekwencji w RNA na sekwencję aminokwasów – TRANSLACJA (w cytoplaźmie na rybosomach)

Pośrednikiem między DNA i białkiem jest kwas rybonukleinowy mRNA (iRNA)

Rodzaje RNA

0. mRNA (przekazywanie informacji, określającej kolejność łączenia aminokwasow w biosyntezie białka),

1. tRNA (cząsteczki przenoszące aminokwasy w procesie biosyntezy białek i innych szlakach anabolicznych),

2. rRNA (cząsteczki biorące udział w budowie rybosomu),

Rodzaje RNA

0. małoczasteczkowy RNA (cząsteczki pełniące szereg funkcji w komórce, związanych z ekspresją materiału genetycznego).

0. antysensowny RNA albo interferencyjny RNA (RNAi)- produkowany w celu precyzyjnej regulacji ekspresji genów kodujących białka.

2. mały jądrowy (snRNA) pełniący funkcje enzymatyczne przy wycinaniu intronów z transkryptów

Matrycowy, czyli informacyjny RNA

0. Trójki nukleotydów, czyli kodony, rozmieszczone w jego łańcuchu wyznaczają kolejność aminokwasów syntetyzowanego białka.

1. W procesie transkrypcji u eukariontów powstaje najpierw pre-mRNA, jako składnik frakcji heterogennego jądrowego hnRNA.

mRNA u bakterii jest policistronowy

0. Cząsteczka bakteryjnego mRNA może zawierać kod dla całego zespołu białek

1. Oprócz kodonów łańcuch mRNA zawiera tzw. trójki nonsensowne, które są znakami przestankowymi, umożliwiającymi syntezę wielu białek.

U eukariontów mRNA jest monocistronowy,

0. zawiera informację tylko dla jednego łańcucha polipeptydowego.

1. Jest pojedynczym łańcuchem skręconym w postaci spirali, chronionym białkami informomerowymi.

TRANSKRYPCJA

0. Transkrypcja to proces, w którym informacja zawarta w DNA - zapisana w formie sekwencji deoksynukleotydów - przepisana zostaje na sekwencje rybonukleotydów w pre-mRNA podczas reakcji katalizowanej przez polimerazę RNA.

.

Dzieli się ją na trzy następujące po sobie procesy:

0. inicjację transkrypcji,

1. elongację łańcucha pre-mRNA

2. terminację

Inicjacja transkrypcji jest głównym punktem kontrolnym ekspresji genu.

0. Polimeraza II RNA wymaga do zapoczątkowania reakcji obecności białek - czynników transkrypcyjnych tzw. TF-ów (ang. transcription factors).

1. Białka te w określonym porządku wiążą się do DNA w obrębie promotora, enhancerów bądź silencerów.

Polimeraza RNA jest DNA zależna. Została odkryta przez Weissa w 1959r, dlatego bywa nazywana polimerazą Weissa

0. Polimeraza RNA (nukleotydylotransferaza nukleozydotrifosforanów) zbudowana jest z 5 podjednostek:

1. 2 alfa, beta, beta prim i sigma.

Wyróżnia się 3 polimerazy RNA:

0. Polimeraza I – znajduje się w jąderku, uczestniczy w tworzeniu rybosomalnego kwasu rybonukleinowego rRNA

0. Polimeraza II – transkrybuje geny struktury. Występuje w chromatynie jądra i w cytoplazmie.

1. Polimeraza III – występuje w chromatynie jądra i w cytoplazmie, uczestniczy w tworzeniu tRNA i rRNA.

Rozsunięcie nici DNA na odcinku kilkunastu nukleotydów umożliwia wstawianie (włączenie) kolejnych, odpowiednich nukleotydów (elongacja transkrypcji).

0. Substratami są trifosforany rybonukleozydów (ATP, GTP, CTP i UTP).

1. Polimeraza RNA przesuwa się systematycznie wzdłuż helisy DNA i wydłuża łańcuch RNA, przy czym nukleotydy włączane są zgodnie z zasadą komplementarności.

0. Powyżej aktualnego miejsca syntezy powstający hybrydowy kompleks DNA - RNA ulega rozpadowi,

1. DNA powraca do swojej pierwotnej dwuniciowej struktury,

a łańcuch

powstającego

mRNA oddziela się.

Etap elongacji (wydłużania RNA) kończy się, gdy polimeraza RNA dotrze do sekwencji kończącej

wyznaczającej miejsce terminacji (zakończenia) transkrypcji.

0. Nowo powstały produkt

nazywamy pierwotnym

transkryptem

lub pre-mRNA

Pre-mRNA (hnRNA, heterogenny jądrowy RNA) - bezpośredni produkt transkrypcji

0. Po dołączeniu guanylowej „czapki” na końcu 5' łańcucha

1. i sekwencji poli-A na końcu 3' łańcucha

2. oraz po wycięciu niekodujących sekwencji, powstanie właściwy mRNA biorący udział w translacji.

3. Modyfikacje hnRNA prowadzące do powstania mRNA nazywa się obróbką potranskrypcyjną.

Guanylacja końca 5’=blokowanie końca 5’

0. Polega na przyłączeniu do pierwszego nukleotydu pre mRNA w pozycji 5’ „czapeczki” czyli 7-metyloguanozyny.

1. która łączy się z wszystkimi trzema resztami fosforanowymi pierwszego nukleotydu

2. Ułatwia przyłączanie rybosomu do mRNA w czasie translacji

3. Ma znaczenie stabilizujące, ochronne przed egzonukleazami.

Schemat obrazujący procesy zachodzące na drodze od DNA do mRNA

Poliadenylacja końca 3’

0. Polimeraza poli A dodaje na końcu 3' pierwotnego transkryptu nukleotydy adeninowe (od 70 do 250)

0. jednak dopiero po zadziałaniu specyficznej nukleazy tj. enzymu tnącego kwas nukleinowy w obrębie jego cząsteczki.

0. Okazało się, że ogon poli A nie jest dołączany do ostatniego nukleotydu wbudowanego na drodze transkrypcji,

1. a do tego, który stał się ostatnim po rozcięciu nici pre-mRNA.

0. Miejsce atakowane przez nukleazę wyznacza sekwencja (sygnał poliadenylacji): AAUAAA.

1. Istnieją geny zawierające więcej niż jeden sygnał poliadenylacji.

2. Oznacza to, że na ich matrycy powstanie kilka pierwotnych transkryptów różniących się długością , a co za tym idzie kilka różnych mRNA.

Mechanizm poliadenylacji pre-mRNA

fragment poli A,

0. podobnie jak struktura czapeczki chroni cząsteczkę pierwotnego transkryptu przed działaniem nukleaz.

1. Może on mieć również znaczenie w translacji,

2. gdyż transkrypt pozbawiony poli A jest mniej wydajną matrycą przy syntezie białka.

Obróbka potranskrypcyjna - splicing (czyt. splaising), cięcie i składanie genu.

0. W intronach wielu genów kodujących białka u Eucar. są trzy sekwencje sygnałowe dla splicingu:

1. *sekwencje GU na końcu 5’

2. *AG na końcu 3’- (są częścią dłuższych sekwencji sygnałowych)

3. *wewnątrz intronu, w miejscu bliskim końca 3’znajduje się sekwencja rozgałęziająca, u wyższych Euc.: UACUAAC

trzy sekwencje sygnałowe dla splicingu W intronie:

Sygnały splicingu

Wycinanie intronów z pre-mRNA

0. I-szy etap - uwolnienie końca 5’ intronu i połączeniu go z miejscem rozgałęzienia – tworzy się struktura zwana lassem

1. II-gi etap – rozszczepeinie transkryptu na końcu 3’ intronu

0. III etap – zbliżenie i kowalencyjne połączenie eksonów –

1. i jest to splicing czyli składanie eksonów,

2. który zapewnia ciągłość sekwencji kodujących będących matrycą do syntezy białka.

Splicing

0. jest katalizowany przez grupę niskocząsteczkowych białek

1. zwanych małymi jądrowymi rybonukleoproteinami

snoRNP=snRNP (small nuclear ribonucleoproteins).

snoRNP

0. Składają się one z małych jądrowych RNA (snRNA) bogatych w U połączonych z białkami.

1. Są różne grupy snRNP: U1, U2, U4, U5, U6.

2. Różnią się m. in. miejscami wiązania, tzn. albo z sygnałem na 5’ albo z sekwencją rozgałęziającą itd.

Kompleks pre-mRNA z snRNP nazywany jest splicesomem (spajsosomem).

0. Kompleks ten przeprowadza sfałdowanie i przyjęcie przez pre-mRNA konformacji umożliwiającej zajście splicingu,

1. ponadto katalizuje reakcje rozcięcia i ligacji prowadzące do wycięcia intronu i połączenia eksonów.