WYKŁAD VII

WYKŁAD VII

EKSPRESJA INFORMACJI

EKSPRESJA INFORMACJI

GENETYCZNEJ

GENETYCZNEJ

czyli synteza RNA i białek

czyli synteza RNA i białek



Po poznaniu struktury DNA (1953) stało

Po poznaniu struktury DNA (1953) stało

się jasne, że informacja genetyczna w

się jasne, że informacja genetyczna w

DNA zawiera

DNA zawiera

KOD

KOD

, w którym

, w którym

zaszyfrowana jest budowa wszystkich

zaszyfrowana jest budowa wszystkich

niezbędnych komórce białek.

niezbędnych komórce białek.



W jaki sposób komórka przekształca

W jaki sposób komórka przekształca

informację genetyczną zawartą w DNA

informację genetyczną zawartą w DNA

w sekwencje aminokwasów w białku,

w sekwencje aminokwasów w białku,

czyli w jaki sposób dochodzi do

czyli w jaki sposób dochodzi do

EKSPRESJI INFORMACJI

EKSPRESJI INFORMACJI

GENETYCZNEJ?

GENETYCZNEJ?

Ekspresja genów odbywa

Ekspresja genów odbywa

się zasadniczo w 2 etapach:

się zasadniczo w 2 etapach:



1. przepisanie sekwencji nukl. w

1. przepisanie sekwencji nukl. w

DNA na RNA – TRANSKRYPCJA (w

DNA na RNA – TRANSKRYPCJA (w

jądrze)

jądrze)



2. przepisanie sekwencji w RNA na

2. przepisanie sekwencji w RNA na

sekwencję aminokwasów –

sekwencję aminokwasów –

TRANSLACJA (w cytoplaźmie na

TRANSLACJA (w cytoplaźmie na

rybosomach)

rybosomach)

Pośrednikiem między DNA i

Pośrednikiem między DNA i

białkiem jest kwas

białkiem jest kwas

rybonukleinowy mRNA (iRNA)

rybonukleinowy mRNA (iRNA)

Rodzaje RNA

Rodzaje RNA



mRNA

mRNA

(przekazywanie informacji, określającej

(przekazywanie informacji, określającej

kolejność łączenia aminokwasow w

kolejność łączenia aminokwasow w

biosyntezie białka),

biosyntezie białka),



tRNA

tRNA

(cząsteczki przenoszące aminokwasy w

(cząsteczki przenoszące aminokwasy w

procesie biosyntezy białek i innych szlakach

procesie biosyntezy białek i innych szlakach

anabolicznych),

anabolicznych),



rRNA

rRNA

(cząsteczki biorące udział w budowie

(cząsteczki biorące udział w budowie

rybosomu),

rybosomu),

Rodzaje RNA

Rodzaje RNA



małoczasteczkowy

małoczasteczkowy

RNA

RNA

(cząsteczki

(cząsteczki

pełniące szereg funkcji w komórce,

pełniące szereg funkcji w komórce,

związanych z ekspresją materiału

związanych z ekspresją materiału

genetycznego).

genetycznego).



antysensowny RNA albo interferencyjny RNA

antysensowny RNA albo interferencyjny RNA

(RNAi)- produkowany w celu precyzyjnej

(RNAi)- produkowany w celu precyzyjnej

regulacji

regulacji

ekspresji genów

ekspresji genów

kodujących

kodujących

białka

białka

.

.





mały jądrowy (

mały jądrowy (

snRNA

snRNA

) pełniący funkcje

) pełniący funkcje

enzymatyczne

enzymatyczne

przy wycinaniu

przy wycinaniu

intronów

intronów

z

z

transkryptów

transkryptów

Matrycowy, czyli informacyjny

Matrycowy, czyli informacyjny

RNA

RNA



Trójki nukleotydów, czyli kodony,

Trójki nukleotydów, czyli kodony,

rozmieszczone w jego łańcuchu

rozmieszczone w jego łańcuchu

wyznaczają kolejność aminokwasów

wyznaczają kolejność aminokwasów

syntetyzowanego białka.

syntetyzowanego białka.



W procesie transkrypcji u

W procesie transkrypcji u

eukariontów powstaje najpierw pre-

eukariontów powstaje najpierw pre-

mRNA, jako składnik frakcji

mRNA, jako składnik frakcji

heterogennego jądrowego hnRNA.

heterogennego jądrowego hnRNA.

mRNA u bakterii jest policistronowy

mRNA u bakterii jest policistronowy



Cząsteczka bakteryjnego mRNA

Cząsteczka bakteryjnego mRNA

może zawierać kod dla całego

może zawierać kod dla całego

zespołu białek

zespołu białek



Oprócz kodonów łańcuch mRNA

Oprócz kodonów łańcuch mRNA

zawiera tzw. trójki nonsensowne,

zawiera tzw. trójki nonsensowne,

które są znakami przestankowymi,

które są znakami przestankowymi,

umożliwiającymi syntezę wielu

umożliwiającymi syntezę wielu

białek.

białek.

U eukariontów mRNA jest

U eukariontów mRNA jest

monocistronowy,

monocistronowy,



zawiera informację tylko dla

zawiera informację tylko dla

jednego łańcucha polipeptydowego.

jednego łańcucha polipeptydowego.



Jest pojedynczym łańcuchem

Jest pojedynczym łańcuchem

skręconym w postaci spirali,

skręconym w postaci spirali,

chronionym białkami

chronionym białkami

informomerowymi.

informomerowymi.

TRANSKRYPCJA

TRANSKRYPCJA



Transkrypcja to proces, w którym informacja

Transkrypcja to proces, w którym informacja

zawarta w DNA - zapisana w formie sekwencji

zawarta w DNA - zapisana w formie sekwencji

deoksynukleotydów - przepisana zostaje na

deoksynukleotydów - przepisana zostaje na

sekwencje rybonukleotydów w pre-mRNA

sekwencje rybonukleotydów w pre-mRNA

podczas reakcji katalizowanej przez

podczas reakcji katalizowanej przez

polimerazę RNA.

polimerazę RNA.

.

.

Dzieli się ją na trzy następujące po

Dzieli się ją na trzy następujące po

sobie procesy:

sobie procesy:



inicjację transkrypcji,

inicjację transkrypcji,



elongację łańcucha pre-mRNA

elongację łańcucha pre-mRNA



terminację

terminację

Inicjacja transkrypcji jest głównym

Inicjacja transkrypcji jest głównym

punktem kontrolnym ekspresji

punktem kontrolnym ekspresji

genu.

genu.



Polimeraza II RNA wymaga do

Polimeraza II RNA wymaga do

zapoczątkowania reakcji obecności

zapoczątkowania reakcji obecności

białek - czynników transkrypcyjnych

białek - czynników transkrypcyjnych

tzw. TF-ów (ang. transcription

tzw. TF-ów (ang. transcription

factors).

factors).



Białka te w określonym porządku

Białka te w określonym porządku

wiążą się do DNA w obrębie

wiążą się do DNA w obrębie

promotora, enhancerów bądź

promotora, enhancerów bądź

silencerów.

silencerów.

Polimeraza RNA jest DNA zależna.

Polimeraza RNA jest DNA zależna.

Została odkryta przez Weissa w

Została odkryta przez Weissa w

1959r, dlatego bywa nazywana

1959r, dlatego bywa nazywana

polimerazą Weissa

polimerazą Weissa



Polimeraza RNA

Polimeraza RNA

(nukleotydylotransferaza

(nukleotydylotransferaza

nukleozydotrifosforanów) zbudowana

nukleozydotrifosforanów) zbudowana

jest z 5 podjednostek:

jest z 5 podjednostek:



2 alfa, beta, beta prim i sigma.

2 alfa, beta, beta prim i sigma.

Wyróżnia się 3 polimerazy RNA:

Wyróżnia się 3 polimerazy RNA:



Polimeraza I – znajduje się w

Polimeraza I – znajduje się w

jąderku, uczestniczy w tworzeniu

jąderku, uczestniczy w tworzeniu

rybosomalnego kwasu

rybosomalnego kwasu

rybonukleinowego rRNA

rybonukleinowego rRNA



Polimeraza II – transkrybuje geny

Polimeraza II – transkrybuje geny

struktury. Występuje w chromatynie

struktury. Występuje w chromatynie

jądra i w cytoplazmie.

jądra i w cytoplazmie.



Polimeraza III – występuje w

Polimeraza III – występuje w

chromatynie jądra i w cytoplazmie,

chromatynie jądra i w cytoplazmie,

uczestniczy w tworzeniu tRNA i

uczestniczy w tworzeniu tRNA i

rRNA.

rRNA.

Rozsunięcie nici DNA na odcinku

Rozsunięcie nici DNA na odcinku

kilkunastu nukleotydów umożliwia

kilkunastu nukleotydów umożliwia

wstawianie (włączenie) kolejnych,

wstawianie (włączenie) kolejnych,

odpowiednich nukleotydów

odpowiednich nukleotydów

(elongacja transkrypcji).

(elongacja transkrypcji).



Substratami są trifosforany

Substratami są trifosforany

rybonukleozydów (

rybonukleozydów (

ATP

ATP

,

,

GTP

GTP

,

,

CTP

CTP

i

i

UTP

UTP

).

).



Polimeraza RNA przesuwa się

Polimeraza RNA przesuwa się

systematycznie wzdłuż

systematycznie wzdłuż

helisy

helisy

DNA i

DNA i

wydłuża łańcuch RNA, przy czym

wydłuża łańcuch RNA, przy czym

nukleotydy włączane są zgodnie z

nukleotydy włączane są zgodnie z

zasadą komplementarności

zasadą komplementarności

.

.



Powyżej aktualnego miejsca syntezy

Powyżej aktualnego miejsca syntezy

powstający hybrydowy kompleks DNA -

powstający hybrydowy kompleks DNA -

RNA ulega rozpadowi,

RNA ulega rozpadowi,



DNA powraca do swojej pierwotnej

DNA powraca do swojej pierwotnej

dwuniciowej struktury,

dwuniciowej struktury,

a łańcuch

a łańcuch

powstającego

powstającego

mRNA oddziela się.

mRNA oddziela się.

Etap elongacji (wydłużania RNA)

Etap elongacji (wydłużania RNA)

kończy się, gdy polimeraza RNA

kończy się, gdy polimeraza RNA

dotrze do sekwencji kończącej

dotrze do sekwencji kończącej

wyznaczającej miejsce terminacji

wyznaczającej miejsce terminacji

(zakończenia) transkrypcji.

(zakończenia) transkrypcji.



Nowo powstały produkt

Nowo powstały produkt

nazywamy pierwotnym

nazywamy pierwotnym

transkryptem

transkryptem

lub pre-mRNA

lub pre-mRNA

Pre-mRNA

Pre-mRNA

(hnRNA, heterogenny

(hnRNA, heterogenny

jądrowy RNA) - bezpośredni

jądrowy RNA) - bezpośredni

produkt transkrypcji

produkt transkrypcji



Po dołączeniu guanylowej „czapki” na

Po dołączeniu guanylowej „czapki” na

końcu 5' łańcucha

końcu 5' łańcucha



i sekwencji poli-A na końcu 3' łańcucha

i sekwencji poli-A na końcu 3' łańcucha



oraz po wycięciu niekodujących sekwencji,

oraz po wycięciu niekodujących sekwencji,

powstanie właściwy mRNA biorący udział

powstanie właściwy mRNA biorący udział

w translacji.

w translacji.



Modyfikacje hnRNA prowadzące do

Modyfikacje hnRNA prowadzące do

powstania mRNA nazywa się

powstania mRNA nazywa się

obróbką

obróbką

potranskrypcyjną

potranskrypcyjną

.

.

Guanylacja końca 5’=blokowanie końca

Guanylacja końca 5’=blokowanie końca

5’

5’



Polega na przyłączeniu do pierwszego

Polega na przyłączeniu do pierwszego

nukleotydu pre mRNA w pozycji 5’

nukleotydu pre mRNA w pozycji 5’

„czapeczki” czyli 7-metyloguanozyny.

„czapeczki” czyli 7-metyloguanozyny.



która łączy się z wszystkimi trzema

która łączy się z wszystkimi trzema

resztami fosforanowymi pierwszego

resztami fosforanowymi pierwszego

nukleotydu

nukleotydu



Ułatwia przyłączanie rybosomu do mRNA w

Ułatwia przyłączanie rybosomu do mRNA w

czasie translacji

czasie translacji



Ma znaczenie stabilizujące, ochronne przed

Ma znaczenie stabilizujące, ochronne przed

egzonukleazami.

egzonukleazami.

Schemat obrazujący procesy

Schemat obrazujący procesy

zachodzące na drodze od DNA do mRNA

zachodzące na drodze od DNA do mRNA

Poliadenylacja końca 3’

Poliadenylacja końca 3’



Polimeraza poli A dodaje na końcu 3'

Polimeraza poli A dodaje na końcu 3'

pierwotnego transkryptu nukleotydy

pierwotnego transkryptu nukleotydy

adeninowe (od 70 do 250)

adeninowe (od 70 do 250)



jednak dopiero po zadziałaniu

jednak dopiero po zadziałaniu

specyficznej nukleazy tj. enzymu

specyficznej nukleazy tj. enzymu

tnącego kwas nukleinowy w obrębie

tnącego kwas nukleinowy w obrębie

jego cząsteczki.

jego cząsteczki.



Okazało się, że ogon poli A nie jest

Okazało się, że ogon poli A nie jest

dołączany do ostatniego nukleotydu

dołączany do ostatniego nukleotydu

wbudowanego na drodze

wbudowanego na drodze

transkrypcji,

transkrypcji,



a do tego, który stał się ostatnim po

a do tego, który stał się ostatnim po

rozcięciu nici pre-mRNA.

rozcięciu nici pre-mRNA.



Miejsce atakowane przez nukleazę

Miejsce atakowane przez nukleazę

wyznacza sekwencja (sygnał

wyznacza sekwencja (sygnał

poliadenylacji): AAUAAA.

poliadenylacji): AAUAAA.



Istnieją geny zawierające więcej niż

Istnieją geny zawierające więcej niż

jeden sygnał poliadenylacji.

jeden sygnał poliadenylacji.



Oznacza to, że na ich matrycy

Oznacza to, że na ich matrycy

powstanie kilka pierwotnych

powstanie kilka pierwotnych

transkryptów różniących się

transkryptów różniących się

długością , a co za tym idzie kilka

długością , a co za tym idzie kilka

różnych mRNA.

różnych mRNA.

Mechanizm poliadenylacji

Mechanizm poliadenylacji

pre-mRNA

pre-mRNA

fragment poli A,

fragment poli A,



podobnie jak struktura czapeczki

podobnie jak struktura czapeczki

chroni cząsteczkę pierwotnego

chroni cząsteczkę pierwotnego

transkryptu przed działaniem nukleaz.

transkryptu przed działaniem nukleaz.



Może on mieć również znaczenie w

Może on mieć również znaczenie w

translacji,

translacji,



gdyż transkrypt pozbawiony poli A

gdyż transkrypt pozbawiony poli A

jest mniej wydajną matrycą przy

jest mniej wydajną matrycą przy

syntezie białka.

syntezie białka.

Obróbka potranskrypcyjna

Obróbka potranskrypcyjna

- s

- s

plicing

plicing

(czyt.

(czyt.

splaising), cięcie i

splaising), cięcie i

składanie genu

składanie genu

.

.



W intronach wielu genów kodujących białka

W intronach wielu genów kodujących białka

u Eucar. są trzy sekwencje sygnałowe dla

u Eucar. są trzy sekwencje sygnałowe dla

splicingu

splicingu

:

:



*sekwencje

*sekwencje

GU na końcu 5’

GU na końcu 5’



*AG na końcu 3’- (

*AG na końcu 3’- (

są częścią

są częścią

dłuższych sekwencji sygnałowych)

dłuższych sekwencji sygnałowych)



*wewnątrz intronu, w miejscu bliskim

*wewnątrz intronu, w miejscu bliskim

końca 3’znajduje się

końca 3’znajduje się

sekwencja

sekwencja

rozgałęziająca

rozgałęziająca

, u wyższych Euc.:

, u wyższych Euc.:

UACUAAC

UACUAAC

trzy sekwencje sygnałowe dla splicingu W

trzy sekwencje sygnałowe dla splicingu W

intronie:

intronie:

Sygnały splicingu

Sygnały splicingu

Wycinanie intronów

Wycinanie intronów

z pre-mRNA

z pre-mRNA



I-szy etap

I-szy etap

- uwolnienie końca 5’ intronu i

- uwolnienie końca 5’ intronu i

połączeniu go z miejscem rozgałęzienia –

połączeniu go z miejscem rozgałęzienia –

tworzy się struktura zwana lassem

tworzy się struktura zwana lassem



II-gi etap

II-gi etap

– rozszczepeinie transkryptu

– rozszczepeinie transkryptu

na końcu 3’ intronu

na końcu 3’ intronu



III etap – zbliżenie i kowalencyjne

III etap – zbliżenie i kowalencyjne

połączenie eksonów –

połączenie eksonów –



i jest to

i jest to

splicing czyli składanie

splicing czyli składanie

eksonów

eksonów

,

,



który zapewnia ciągłość sekwencji

który zapewnia ciągłość sekwencji

kodujących będących matrycą do

kodujących będących matrycą do

syntezy białka.

syntezy białka.

Splicing

Splicing



jest katalizowany przez grupę

jest katalizowany przez grupę

niskocząsteczkowych białek

niskocząsteczkowych białek



zwanych

zwanych

małymi jądrowymi

małymi jądrowymi

rybonukleoproteinami

rybonukleoproteinami

snoRNP=snRNP

snoRNP=snRNP

(

(

small nuclear

small nuclear

ribonucleoproteins

ribonucleoproteins

).

).

snoRNP

snoRNP



Składają się one z małych jądrowych

Składają się one z małych jądrowych

RNA (snRNA) bogatych w U

RNA (snRNA) bogatych w U

połączonych z białkami.

połączonych z białkami.



Są różne grupy snRNP: U1, U2, U4,

Są różne grupy snRNP: U1, U2, U4,

U5, U6.

U5, U6.



Różnią się m. in. miejscami

Różnią się m. in. miejscami

wiązania, tzn. albo z sygnałem na 5’

wiązania, tzn. albo z sygnałem na 5’

albo z sekwencją rozgałęziającą itd.

albo z sekwencją rozgałęziającą itd.

Kompleks pre-mRNA z snRNP

Kompleks pre-mRNA z snRNP

nazywany jest

nazywany jest

splicesomem

splicesomem

(spajsosomem

(spajsosomem

).

).



Kompleks ten przeprowadza

Kompleks ten przeprowadza

sfałdowanie i przyjęcie przez pre-

sfałdowanie i przyjęcie przez pre-

mRNA konformacji umożliwiającej

mRNA konformacji umożliwiającej

zajście splicingu,

zajście splicingu,



ponadto katalizuje reakcje rozcięcia

ponadto katalizuje reakcje rozcięcia

i ligacji prowadzące do wycięcia

i ligacji prowadzące do wycięcia

intronu i połączenia eksonów.

intronu i połączenia eksonów.