REGULACJA EKSPRESJI GENÓW EUKARIOTYCZNYCH

1) Etapy regulacji ekspresji genów - przegl

ą

d

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

3) Regulacja po

ś

rednia poprzez czynniki zewn

ę

trzne

4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– typ kojarzeniowy dro

ż

d

ż

y

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów –

powstawanie immunoglobulin

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów –

powstawanie makronukleusa orz

ę

sków

1) Etapy regulacji ekspresji genów - transkrypcja

A) Efekt chromatyny - zale

ż

no

ść

intensywno

ś

ci trankrypcji od

regionalnej struktury chromatyny

- Wyciszanie rejonów chromosomów znakowanych przez
modyfikacje zasad (np. przez metylacj

ę

)

- Wyciszanie rejonów poprzez lncRNA (nast

ę

pny slajd)

- Wyciszanie rejonów poprzez lncRNA (nast

ę

pny slajd)

- Pozycjonowanie nukleosomów (kolejny slajd)

B) Wła

ś

ciwa transkrypcja

- Efekt odsłoni

ę

cia DNA przez nadmiarow

ą

(?) transkrypcj

ę

- Specyficzna inicjacja transkrypcji zale

ż

na od sekwencji

promotora i czynników białkowych (aktywatory i represory)

Przykład modyfikacji chromatyny przez RNA. Długi niekoduj

ą

cy RNA (long

non-coding, lncRNA) jest syntetyzowany przez polimeraz

ę

RNA II. Ł

ą

czy

si

ę

z białkami np. G9a i PcGs, które mog

ą

zag

ę

szcza

ć

chromatyn

ę

w

bliskiej okolicy (in cis) lub z innymi białkami, np. PRC2, które prowadz

ą

do

zag

ę

szczenia chromatyny w rejonach odległych (in trans). U ssaków

poznano ju

ż

kilka tysi

ę

cy ró

ż

nych lncRNA.

Nukleosomy s

ą

g

ę

sto uło

ż

one (pozycjonowne) w rejonach nie koduj

ą

cych a

najrzadsze w rejonach promotorowych (by ułatwi

ć

inicjacje transkrypcji). W

rejonach koduj

ą

cych s

ą

uło

ż

one w specjalny regularny sposób, tak by ich

uwalnianie i wi

ą

zanie było sprawne.

1) Etapy regulacji ekspresji genów – obróbka mRNA

- Dodawanie czapeczki – sposób regulacji spotykany w
dojrzewaniu jaj u zwierz

ą

t

- Poliadenylacja – alternatywne miejsca dodawania ła

ń

cuchów

poliadenylowych reguluj

ą

np. kwitnienie u ro

ś

lin

poliadenylowych reguluj

ą

np. kwitnienie u ro

ś

lin

- Alternatywne składanie egzonów - bardzo powszechne

- Degradacja dojrzałego mRNA - np. gdy małe odcinki RNA,
tzw. miRNA, odszukuj

ą

komplementarne mRNA co przywołuje

białka degraduj

ą

ce RNA(interferencja RNA)

1) Etapy regulacji ekspresji genów – synteza i obróbka białek

- Inicjacja translacji – np. fosforylacja czynnika translacji elF-2
spowalnia tworzenie kompleksów inicjacyjnych

- Alternatywne ci

ę

cie polipeptydów – pozwala na modyfikacje

białek w zale

ż

no

ś

ci od miejsca syntezy (tkanki)

białek w zale

ż

no

ś

ci od miejsca syntezy (tkanki)

- Modyfikowanie chemiczne – np. u białek sygnałowych cz

ę

sta jest

fosforylacja, u strukturalnych acetylacja

- Selektywna degradacja białek

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

Regulacja przez czynniki zewn

ę

trzne odbywa si

ę

na dwa sposoby:

Regulacja po

ś

rednia:

czynnik zewn

ę

trzny

zatrzymuje si

ę

na

powierzchni i
uruchamia czynnik
wewn

ą

trzkomórkowy

Regulacja
bezpo

ś

rednia:

czynnik wnika
do komórki

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

Czynnikami sygnałowymi, które wnikaj

ą

bezpo

ś

rednio do komorki mog

ą

by

ć

:

- białka (jak np. laktoferyna), mog

ą

wtedy działa

ć

jakby same były czynnikami

reguluj

ą

cymi transkrypcj

ę

- mniejszymi molekułami (jak np. atomy metali lub cz

ą

steczki hormonów),

wpływaj

ą

cymi na białka regulatorowe

- czynnikami wpływaj

ą

cymi na białka po

ś

rednie, które potem ł

ą

cz

ą

si

ę

z

czynnikami transkrypcyjnymi

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

Regulacja przez hormony:

Hormony sterydowe ł

ą

cz

ą

si

ę

w

cytoplazmie z białkowymi
receptorami steroidów.

Takie kompleksy w

ę

druj

ą

do

j

ą

dra gdzie ł

ą

cz

ą

si

ę

z DNA w

rejonach przed okre

ś

lon

ą

dla

danego hormonu sekwencj

ą

koduj

ą

c

ą

, co powoduje zmiany

ekspresji genu.

2) Regulacja bezpo

ś

rednia przez czynniki zewn

ę

trzne

Regulacja przez jony:

Ten sam czynnik sygnałowy
mo

ż

e doprowadzi

ć

do ró

ż

nych

skutków, w zale

ż

no

ś

ci od

stanu komórki:

stanu komórki:

- u dro

ż

d

ż

y atom miedzi mo

ż

e

si

ę

poł

ą

czy

ć

z białkiem Mac1 i

(dla pobrania miedzi gdy jej
brakuje)

- z białkiem Ace1 (dla
zmniejszenia toksycznego
efektu miedzi)

3) Regulacja po

ś

rednia poprzez czynniki zewn

ę

trzne

W regulacji po

ś

redniej, czynniki

sygnałowe zewn

ą

trzkomórkowe,

cz

ę

sto natury peptydowej, ł

ą

cz

ą

si

ę

z

receptorami na powierzchni komórki.

3) Regulacja po

ś

rednia poprzez czynniki zewn

ę

trzne

Poł

ą

czenie czynnika

sygnałowego z
receptorem na
powierzchni komórki

powierzchni komórki
uaktywnia

ś

ci

ś

le okre

ś

lone

białka, bardzo cz

ę

sto

poprzez ich fosforylacj

ę

dokonan

ą

przez

zaktywizowany receptor.

3) Regulacja po

ś

rednia

poprzez czynniki
zewn

ę

trzne

Przykładem działania takiego
sygnału s

ą

szlaki typu MAP

(mitogen activated protein),

Reaguj

ą

one na wiele sygnały

ze

ś

rodowiska i sygnały od

innych komórek (podział).

Sygnał jest wielostopniowy.
Receptor mitogenu (fiolet) po
otrzymaniu sygnału fosforyluje
białko Raf, Raf fosforyluje Mek,
Mek forforyluje MK a MK
fosforyluje albo kolejne białko
po

ś

rednicz

ą

ce (Rsk) albo

ostateczne białkowe czynniki
transkrypcyjne (Elk-1, c-Myc i
inne)

3) Regulacja po

ś

rednia

poprzez czynniki
zewn

ę

trzne

Wielostopniowo

ść

pomaga w

składaniu i rozdzielaniu
sygnałów.

Szlak Ras jest wa

ż

ny w

sygnalizacji wzrostu komórki,
jego deregulacja prowadzi do
nowotworu.

nowotworu.

Powierzchniowa kinaza
tyrozynowa mo

ż

e ł

ą

czy

ć

si

ę

z

białkiem GAP lub GNRP co
odpowiednio inaktywuje lub
aktywuje białko Ras.

Ras mo

ż

e poprzez białko Raf

wpłyn

ąć

na aktywno

ść

szlaku

podziału (MAP) co jest logiczne,
bo wzrost i podział musza by

ć

zsynchronizowane.

4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez
rearan

ż

acje genów

– typ kojarzeniowy dro

ż

d

ż

y

Dro

ż

d

ż

e produkuj

ą

haploidalne

dro

ż

d

ż

e o okre

ś

lonym typie

kojarzeniowym.

Skojarzenie z haploidem o
przeciwnym typie prowadzi do
odtworzenia diploidalno

ś

ci.

odtworzenia diploidalno

ś

ci.

Gdy komórek o przeciwnym typie
nie ma, haploid mo

ż

e zmieni

ć

typ

przy okazji podziału i skojarzy

ć

si

ę

z komórk

ą

siostrzan

ą

(która ma typ

nie zmieniony)

4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– typ kojarzeniowy dro

ż

d

ż

y

Dro

ż

d

ż

e posiadaj

ą

trzy kopie genu (allele) odpowiadaj

ą

ce za białko

warunkuj

ą

ce typ kojarzeniowy, jakby trzy kasety, ale tylko jeden z nich jest

w locus o czynnej transkrypcji (

ś

rodkowy), tak jakby kaseta w odtwarzaczu.

Wymiana kaset dokonuje si

ę

poprzez zap

ę

tlenie nici DNA i konwersj

ę

genu

na drodze rekombinacji homologicznej.

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– powstawanie immunoglobulin

Immunoglobuliny ssaków (a tak

ż

e

receptory komórek T i białka
zgodno

ś

ci tkankowej MHC) s

ą

bardzo

ró

ż

ne w ró

ż

nych komórkach tego

samego osobnika.

Ró

ż

norodno

ść

ta powstaje na skutek

rearan

ż

acji, która ma wspólne zasady,

ale ró

ż

ny szczegółowy przebieg w

poszczególnych komórkach.

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– powstawanie immunoglobulin

Dla ła

ń

cuchów lekkich i ci

ęż

kich

immunoglobulin istniej

ą

osobne rejony

chromosomowe koduj

ą

ce wiele segmentów

cz

ęś

ci zmiennych (V) i po kilka segmentów

cz

ęś

ci ł

ą

cznikowych (D i J) oraz stałych (C).

Powy

ż

ej przykład takiego rejonu koduj

ą

cego

ła

ń

cuch ci

ęż

ki na chromosomie 14 człowieka.

5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– powstawanie immunoglobulin

W dojrzewaj

ą

cych limfocytach dochodzi do usuni

ę

cia du

ż

ych odcinków DNA (ró

ż

nych

w ró

ż

nych komórkach) tak,

ż

e powstaje tylko jedna kombinacja odcinków VDJ z

dwoma odcinkami C. Alternatywne składanie egzonów doprowadza do wyboru
jednego z tych pocz

ą

tkowo dwóch C.

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– makronukleus orz

ę

sków

Pantofelek ma mikronukleus (MIC) i makronukleus (MAC), w koniugacji
wymieniane s

ą

haploidalne MIC, one daj

ą

nowe diploidalne MIC, z których

rozwija si

ę

nowy MAC, a stary zanika.

W MIC nie ma transkrypcji, ale jest tam komplet informacji genetycznej.
Transkrypcja jest w MAC, gdzie jest tylko cz

ęść

genów ale za to w wielu

kopiach.

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– makronukleus orz

ę

sków

W czasie rozwoju MIC dochodzi do poci

ę

cia chromosomów poł

ą

czonego z

syntez

ą

nowych telomerów lub do składania poci

ę

tych fragmentów, przy

czym ich kolejno

ść

mo

ż

e by

ć

zmieniona

W powy

ż

szym przykładzie, DNA jest ci

ę

te w zakonserwowanych

sekwencjach Cbs a potem z obu stron doczepiane s

ą

telomery

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– makronukleus orz

ę

sków

Przykład genu koduj

ą

cego białko doczepione do telomerów. Cz

ęść

sekwencji MIC została utracona, a uzyskane fragmenty maja inn

ą

kolejno

ść

po zło

ż

eniu w MAC. Tylko gen w MAC ma funkcjonaln

ą

sekwencj

ę

. Ocenia si

ę

,

ż

e podczas dojrzewania MAC w całym

genomie wyci

ę

ciu i utraceniu ulega około 60000 fragmentów.

6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearan

ż

acje genów

– makronukleus orz

ę

sków

Eliminacja DNA z MIC zaczyna si

ę

od

dwuniciowych naci

ęć

DNA a jej przebieg

jest prawdopodobnie kierowany głównie
poprzez oddziaływanie DNA ze
specjalnie do tego celu syntetyzowanym
niekoduj

ą

cym RNA.

Rearan

ż

acje i zwielokrotnienie kopii

DNA przy syntezie MAC s

ą

ekstremalnym przykładem trwałych
zmian genomu somatycznego, tłumacz

ą

je ogromne rozmiary komórek orz

ę

sków.