REGULACJA EKSPRESJI

GENÓW

Regulacja ekspresji

genów

• Istnieje ścisłe powiązanie między aparatem

genetycznym komórki a jej stanem

czynnościowym

• Produkty kodowane przez różne geny są

wytwarzane w ilościach określonych

właściwościami strukturalnymi i

funkcjonalnymi danej komórki

• Regulacja tego systemu odbywa się przez

włączanie i wyłączanie odpowiednich genów

Regulacja ekspresji

genów

• Regulacja ekspresji genów dotyczy

zarówno organizmów

prokariotycznych jak i

eukariotycznych

• W pojedynczej komórce eukariotycznej

tylko około 15% genów ulega

ekspresji; przy czym w różnych typach

komórek aktywowane są różne geny

Regulacja ekspresji genów

u Prokaryota

U Prokaryota ekspresja genów
regulowana jest na dwóch poziomach:

• TRANSKRYPCJI – przez regulację liczby

tworzonych cząsteczek mRNA

• TRANSLACJI – przez regulację liczby

kopii polipeptydów powstałych na

matrycy konkretnej cząsteczki mRNA

Regulacja przez kontrolę

szybkości inicjacji

transkrypcji

• REGULACJA WEWNĘTRZNA – dotyczy

poziomu transkrypcji jednego genu
względem innego w zależności od
promotora; jest to inaczej stopień
oddziaływania między polimerazą RNA a
promotorem

• REGULACJA ZEWNĘTRZNA – poziom

transkrypcji regulowany jest przez czynniki
zewnętrzne, niezależne od struktury genu

Promotory u Prokaryota

• Geny zawierające promotory słabe,

wykazują niski poziom ekspresji – są

to głównie geny kodujące produkty

potrzebne w niedużych ilościach

• Promotory silne indukują z większą

częstością procesy inicjacji

trankrypcji – nawet co 2 sekundy

Struktura operonu

bakteryjnego

Efektory allosteryczne

• Cząsteczki represorów są białkami

allosteryczymi

• Efektory allosteryczne przyłączają się do

centrum allosterycznego (inne niż centrum

aktywne)

• Efektorami allosterycznymi mogą być

aminokwasy, czy też hormony steroidowe

• Wiązania między białkami allosterycznymi i

efektorami są słabe, a oddysocjowanie

efektora zależy od jego stężenia

Aktywność allosterycznych represorów

pod wpływem: A - induktora i B -

korepresora

Rodzaje operonów

bakteryjnych

• INDUKOWANE (KATABOLICZNE)- produkcja

enzymów jeśli substrat obecny w środowisku

• ULEGAJĄCE REPRESJI (ANABOLICZNE)-

produkcja enzymów jeśli substancja

syntetyzowana nie istnieje w komórce

• PODLEGAJĄCE REGULACJI POZYTYWNEJ –

transkrypcja w obecności induktora

• PODLEGAJĄCE REGULACJI NEGATYWNEJ –

blokowanie transkrypcji przez wolny represor

Operon

lakozow

y E.

Coli.

Przykład

regulacji

negatywnej

(A) i

pozytywnej

(B)

Represja kataboliczna

(A) Krzywa
wzrostu E.
Coli w
pożywce
zawierajacej
laktozę i
glukozę. (B)
Mechanizm
znoszenia
działania
repesora
laktozowego
przez
glukozę. (C)
Regulacja
ilości cAMP
w komórce
przez
glukozę.

Operon tryptofanowy

Model atenuacji w operonie

tryptofanowym

Tranksrypcyjna atenuacja

operonu trp

Atenuacja w operonie

trp

Mapa operonu

arabinozowego

A. Małe

stężenie białka

C – synteza

białka C

B. Małe

stężenie

kompleksu

cAMP-CAP i

duża ilość

białka C – brak

syntezy mRNA

C. Duża ilość

arabinozy i

kompleksu

cAMP-CAP –

synteza mRNA

enzymów

katalizujących

arabinozę

Mechaniz

my

regulacji

ekspresji

genów u

Eukaryota

Wpływ struktury chromatyny

na ekspresję genów

Formy przestrzenne

DNA

A –

ultrawirowanie

B – mikroskopia

elektronowa

C - elektroforeza

Kolor czerwony
– forma I

Kolor niebieski –
forma II

Kolor żółty –
forma III

Miejsca wrażliwe na DNA-

zę

• Miejsca wrażliwe na DNA-zę

odpowiadają miejscom aktywnym

• Znajdują się w specjalnej konformacji

chromatyny, która czyni je bardziej

dostępnymi

• Specyficzna struktura przestrzenna jest

najwyższym poziomem regulacji

• Miejsca nadwrażliwe na DNA-zę – nie ma

tu nukloesomów i białka wiążące mają tu

łatwy dostęp do DNA

Miejsca nadwrażliwe na DNazę

wskazują położenie LCR (locus

control region) w ludzkim genomie

Metylacja DNA

• Metylacja DNA polega na enzymatycznym

przyłączaniu reszt metylowych (-CH

3

) do

nukleotydów

• Procesowi temu podlegają cytozyny wchodzące w

skład dinukleotydu CpG

• Metylacja cytozyn związana jest z obniżeniem

aktywności transkrypcyjnej – stanowi sygnał

wyłączenia genu

• Jest procesem odwracalnym
• Spełnia istotną rolę w długoterminowej inaktywacji

genów (chromosom X, protoonkogeny)

Sekwencja CpG

Czynniki transkrypcyjne

• Są to czynniki kontroli ekspresji

genów

• Zdolne są przyłączyć się do DNA do

specyficznych sekwencji

• Mogą regulować poziom transkrypcji

dodatnio lub ujemnie

• Kodowane są przez geny

regulatorowe, które stanowią 5-10 %

genomu człowieka

Miejsca przyłączania czynników

transkrypcyjnych w komórkach

eukariotycznych

Czynniki transkrypcyjne

• Mają budowę modularną i składają

się z domen białkowych
pełniących określone funkcje:

- DOMENY WIĄŻĄCE DNA
- DOMENY ODPOWIEDZIALNE ZA

DIMERYZACJĘ

- DOMENY TRANSAKTYWUJĄCE

Schematyczna budowa

aktywatorów

transkrypcji

Czynniki transkrypcyjne

• Scharakteryzowano trzy typy domen wiążących

na podstawie występujących w nich motywów:
- helisa-zwrot-helisa

- palce cynkowe

- helisa-pętla-helisa

• W domenach odpowiedzialnych za dimeryzację

wyróżnia się dwa typy motywów:
- suwak leucynowy
- helisa-pętla-helisa

Struktura helisa–zwrot-

helisa

Domena typu helisa-skręt-helisa

Motyw „palca

cynkowego”

A i B – struktury „palców cynkowych”
różniące się rodzajem aminokwasu
wiążącego cynk

- strzałki oznaczają miejsca
oddziaływania z DNA

Palec cynkowy Cys

2

His

2

Czynnik transkrypcji

Sp1

Motyw „suwaka

leucynowego”

kolor żółty i
zielony =
miejsca
kontaktu na
leucynach

Wstęgi = Helisy

Rozgałęzione
linie =
Łańcuchy
boczne

Suwak leucynowy

Domena typu helisa-wstęga-

helisa

Różne miejsca wiązania

czynników transkrypcyjnych z

DNA

Sekwencje wzmacniające

(enhancer)

• Wzmagają znacznie poziom transkrypcji

genu, z którym są związane

• Mogą występować jako sekwencje

wyciszające (silencer) i odpowiadać za

ograniczenie transkrypcji

• Ich inwersja nie oznacza utraty wpływu

na transkrypcję lecz jej obniżenie

• Utrzymują swe właściwości aktywatora

nawet jeśli są przemieszczone o kilka lub

kilkaset tysięcy par zasad na nici DNA

Splicing alternatywny

(a)Alternatyw

ny wybór
promotoró
w

(b)Alternatyw

ny wybór
miejsc
rozcięcia i
poliadenyl
acji

(c) Zachowani

e intronu

(d)Ominięcie

eksonu

Rożnicowanie transkryptów przez

promotory alternatywne – model

genu alfa-amylazy (promotory P1 i

P2)

Alternatywne składanie

Cztery białka mieliny otrzymane

przez alternatywne wycinanie

eksonów

Redagowanie RNA

Redagowanie mRNA ludzkiej

apolipoproteiny B

Przykłady redagowania RNA u

ssaków

Szlak degradacji mRNA zależny

od deadenylacji

Regulacja na poziomie translacji

- model syntezy białek w

retikulocytach kontrolowanej

przez hem

HCR – Heme Controlled Represor

Białka szoku cieplnego

(HSP)

Białka szoku cieplnego syntetyzowane są
w wyniku działania czynników stresowych tj:
• podwyższona temperatura
• infekcja wirusowa
• czynniki uszkadzające DNA
• analogi aminokwasów
• zmiany pH środowiska
• obecność etanolu

Struktura białka Hsp70

Możliwe sposoby wywierania wpływu na

zdarzenia zachodzące wewnątrz komórki

przez zewnątrzkomórkowy związek

sygnalizujący

Aktywacja genu przez hormon

steroidowy

Receptory hormonów

steroidowych

Wszystkie receptory hormonów steroidowych
posiadają identyczną strukturę na którą składają się:

• Koniec HN

2

-terminalny (tzw. domena A-B genu)

specyficzny dla receptora, niekonserwatywny

• Domena C – bardzo konserwatywna, składa się z

około 65 aminokwasów, domena ta oddziałuje z DNA

• Region niekonserwatywny o zmiennej długości
• Domena E o zmiennej długości – do niej wiąże się

hormon

Schemat

budowy

jądrowych

receptorów

hormonów

steroidowy

ch

-

receptory,
dla
których
zbadano
już
wiązanie
hormonu

* -

receptory,

dla których
zbadano już
wiązanie z
DNA

Budowa elementu odpowiedzi

hormonalnej

GRE –
Glucocorticoid
Hormone
Response
Element

ERE – Estradiol
Hormone
Response
Element

TRE – Thyroid
Hormone
Response
Element

DRE – sekwencja
wiążąca
receptory
„sieroce”

Rola komórkowego receptora

powierzchniowego w przekazywaniu

sygnałów

Przekazywanie sygnału z

udziałem białek STAT

A –
receptor
należy do
rodziny
kinaz
tyrozynowy
ch

B –
receptor w
połączeniu
z kinazą
tyrozynową

ZMIENNOŚĆ I MUTACJE

ZMIENNOŚĆ

Zmienność-występowanie dziedzicznych
lub niedziedzicznych różnic:
▪ zmienność wewnątrzosobnicza -
pomiędzy komórkami danego organizmu
▪ zmienność osobnicza - pomiędzy
osobnikami należącymi do tej samej
populacji ,
▪ zmienność grupowa - pomiędzy
populacjami .

ZMIENNOŚĆ

1. Mutacyjna

-

mutacje genowe

(tranzycje, transwersje,

delecje, insercje, inwersje)

-

mutacje chromosomowe

:

- strukturalne (inwersje, translokacje,

duplikacje,

delecje, izochromosomy, chromosomy

koliste)

- liczbowe-aneuploidie (monosomie,

nullisomie,

trisomie)
-

euploidie

(genomowe):

- autopoliploidie (triploidie, tetraploidie,

itd.)

- allopoloploidie (amfiploidie)

2. Rekombinacyjna

(rekombinacja

homologiczna,

rekombinacja zlokalizowana, rekombinacja

transpozycyjna)

3. Fluktuacyjna

(ciągła)

4. Alternatywna

(skokowa)

ZMIENNOŚĆ

• Zmienność fluktuacyjna (ciągła) – daje się

określić w jednostkach miary (wzrost, masa
ciała, IQ, liczba krwinek, pigmentacja włosów i
skóry)

• Zmienność alternatywna (skokowa, nieciągła) –

np. układ grupowy Rh

ZMIENNOŚĆ FENOTYPOWA

REKOMBINACJE

– procesy wymiany

fragmentów DNA między chromosomami

homologicznymi lub dwuniciowymi

helisami DNA. Rekombinacje nie prowadzą do

wytworzenia nowych alleli genów, ale do

ciągłego ich przetasowywania i powstawania

różnych kombinacji genotypów.

ZMIENNOŚĆ DZIEDZICZNA

(REKOMBINACJE I MUTACJE)

•

Zjawisko prowadzące do rekombinacji genetycznej
sprzężonych genów polegające na wymianie
odpowiadających sobie położeniem odcinków
między homologicznymi grupami sprzężeń
(chromosomami)

•

Zachodzi w wyniku symetrycznych pęknięć i
ponownego połączenia się odcinków chromatyd
chromosomów homologicznych po ich wzajemnej
wymianie w pachytenie i/lub diplotenie mejozy

•

Występuje również somatyczny , czyli mitotyczny
crossing over , który polega na wymianie
siostrzanych chromatyd w obrębie jednego
chromosomu. Występuje rzadko i z różną
częstością w chromosomach .

REKOMBINACJA HOMOLOGICZNA

(crossing over)

REKOMBINACJA HOMOLOGICZNA

(crossing over)

• Dotyczy wymiany niehomologicznych, ale

specyficznych fragmentów

• Przykładem tego typu rekombinacji jest

tworzenie przeciwciał i receptorów limfocytów
T

• W komórkach bakteryjnych rekombinacja

zlokalizowana zachodzi podczas
wbudowywania plazmidów do genomu bakterii.

REKOMBINACJA ZLOKALIZOWANA

• Zachodzi podczas wbudowywania transpozonów w

nowe miejsce genomu

• Transpozony są to ruchome elementy genomu

zawierające geny kodujące transpozazę (enzym o
aktywności nukleazy)

• Najprostszym przykładem transpozonów są

sekwencje insercyjne (IS)

• W rekombinacji transpozycyjnej wymagane jest

istnienie specyficznej sekwencji DNA w miejscu
akceptorowym dla IS. Sekwencja ta ulega duplikacji,
a IS wbudowywana jest między podwojony fragment.

• Oprócz genów transpozazy transpozon może

zawierać inne geny – jest to tzw. transpozon złożony

REKOMBINACJA TRANSPOZYCYJNA

• Termin „

mutacja

” wprowadził H. De Vries w

1909r

• Mutacja

jest to zmiana dziedziczna powstająca

na skutek zmiany genu w jego nowy allel
(mutacja genowa), zmiany struktury
chromosomu (mutacja chromosomowa),
zmiany liczby chromosomów (mutacja
liczbowa), bądź zwielokrotnienie haploidalnego
zestawu chromosomów (mutacja genomowa)

MUTACJE

• każda zmiana sekwencji nukleotydów w

obrębie genu , inna od sekwencji genu
wyjściowego (powstaje nowy allel genu)

• dotyczy genów kodujących białka

strukturalne i enzymatyczne

MUTACJE GENOWE

• Tranzycja

– zamiana jednej zasady purynowej

na drugą purynową , lub pirymidynowej na
inną pirymidynową.

• Traswersja

– zamiana zasady purynowej na

pirymidynową lub odwrotnie.

• Delecja

– wypadnięcie pojedynczej lub większej

liczby par nukleotydów z danego genu.

• Insercja

– wstawienie pojedynczej lub większej

liczby par nukleotydów do danego genu .

MUTACJE GENOWE

• Mutacje nonsensowne

i zmiany

odczytu prowadzą zwykle do
całkowitej utraty aktywności enzymu
(przerwanie syntezy).

• Mutacje zmiany sensu

prowadzą do

syntezy enzymów o zmienionych
właściwościach chemicznych i
fizycznych .

• Mutacje nieme

– nowy kodon jest

synonimiczny z kodonem przed
mutacją.

MUTACJE GENOWE

1.

Aberracje chromosomowe strukturalne

• Inwersja

– (odwrócenie o 180

o

) na skutek

pęknięć jednego chromosomu i połączenia
wolnych jego końców w odwrotnym
kierunku .

→ paracentryczna obejmuje odcinek

chromosomu bez

centromeru
→ perycentryczna obejmuje fragment z

centromerem .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Translokacja

– przemieszczenie się fragmentu chromosomu

w inne miejsce tego samego lub innego chromosomu.

→ T. intrachromosomalna (wewnętrzna) między homologicznymi
chromosomami
→ T. interchromosomalna (zewnętrzna) między chromosomami
niehomologicznymi
→ T. wymienna (wzajemna) wzajemna wymiana odcinków między
chromosomami niehomologicznymi, całkowita liczba
chromosomów pozostaje nie zmieniona, a dwa spośród nich

mają

nieprawidłowe kształty .

Traspozycja

– translokacja polegająca na przeniesieniu

odcinka z

jednego chromosomu do drugiego .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

TRANSLOKACJA WYMIENNA

(WZAJEMNA)

• TRANSLOKACJA ROBERTSONOWSKA:

 

Łączą się całe lub prawie całe ramiona

długie dwóch różnych chromosomów

(połączenia centryczne). Miejscem połączenia

jest rejon centromeru. Dochodzi do utraty

funkcjonalnie nieistotnej części materiału

genetycznego ( ramiona krótkie ) .

Translokacja robertsonowska zrównoważona

-

nie zmienia się ilość materiału genetycznego.

Brak objawów fenotypowych.

Translokacja robertsonowska

niezrównoważona

-ilość materiału genetycznego

powiększa się. Fenotypowe ujawnienie choroby

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Duplikacja

– podwojenie

tych samych odcinków
chromosomów (podwojenie
kopii genów). Podwojone
fragmenty mogą występować
jako bezpośrednie
powtórzenia (proste
powtórzenia tandemowe) lub
jako odwrócone względem
siebie powtórzenia
fragmentów chromosomów.

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Delecja (deficjencja)

–

utrata odcinka
chromosomu.

→ d. terminalna obejmuje

część

dystalną chromosomu

→ d. interstycjalna obejmuje

fragment środkowy

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Chromosom kolisty

– powstaje w wyniku

pęknięcia, a następnie połączenia końców
chromosomu.

U człowieka chromosomy koliste powstają

najczęściej z chromosomów 4 , 13 , 18 pary
oraz chromosomu X .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• Izochromosom

– powstaje w

wyniku nieprawidłowego ,
poprzecznego podziału
centromeru chromosomu
metafazowego. Składa się on
tylko z połączonych ramion
długich lub krótkich. Powstanie
izochromosomów powoduje
ubytek genów zawartych w
utraconych ramionach i
podwojenie ich liczby w
ramionach , które utworzyły
chromosom. Powstają zarówno z
autosomów jak i chromosomu X .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

2. Aberracje liczbowe
• Aneuploidie

– powstają w wyniku zwiększenia

lub zmniejszenia diploidalnej liczby chromosomów
o pojedyncze chromosomy .

Zapis

2n + a

lub

2n – a

, gdzie

n

to haploidalna

liczba chromosomów ,

a

to liczba chromosomów

podlegających zmianom ilościowym .

Powstawanie uniparentalnej disomii (UPD)

- polega na obecności u diploidalnego potomka

pary

chromosomów pochodzących tylko od jednego
rodzica .

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

TRISOMIA 21 PARY CHROMOSOMÓW

47,XX,+21 (ZESPÓŁ DOWNA)

• Euploidie

– zwielokrotnienie całego podstawowego zespołu

chromosomów. Zapis 3n, 4n, 5n, itd.

→

autopoliploidie

- garnitur chromosomów jest

zwielokrotniony

o ten sam zestaw chromosomów.
Autopoliploidie są u człowieka letalne i prowadzą do

poronień.

np. AABB(2n) + AABB(2n) = AAAABBBB(4n)

→

allopoliploidie (amfiploidie)

zwielokrotnienie

niehomologicznych

zespołów chromosomów . Powstają najczęściej na skutek
podwojenia liczby chromosomów u mieszańców
międzygatunkowych. Ten typ aberracji nie występuje u
człowieka .
np. AABB(2n) + CCDD(2n) = AABBCCDD(4n)

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

Mutageny

to czynniki indukujące powstawanie

mutacji znacznie ponad poziom mutacji

spontanicznych.

Mutageny mogą powodować:
• Transformację nowotworową (kancerogeneza)
• Wady rozwojowe (teratogeneza)
• Śmierć komórek (całego organizmu)

Czynniki mutagenne podzielono na:
• Fizyczne (np. UVA, UVB, promieniowanie X)
• Chemiczne (np. niektóre leki, środki konserwujące i

inne)

• Biologiczne (wirusy brodawczaka ludzkiego i inne)

CZYNNIKI MUTAGENNE

• uszkodzenia DNA, przed ich naprawą, są

rozpoznawane przez enzymy reparacyjne:

- polimerazy DNA: jądrowe (α, β, δ, ε)i

polimeraza mitochondrialna (γ)

- ligazy DNA
- glikozylazy DNA
- endonukleazy apurynowe/apirymidynowe (5’-

AP i 3’-AP)

- białka pomocnicze
- fotoliazy DNA
- metyotransferaza o

6

-metyloguanina-DNA

(MGMT)

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

• Naprawa DNA może być kompletna i niekompletna

• W przypadku braku możliwości naprawy DNA

komórka powinna ulec programowanej śmierci
komórki-apoptozie

• Procesy naprawy zachodzą w okresie

przedreplikacyjnym, podczas replikacji lub w
okresie poreplikacyjnym

• Szybkość naprawy chromatyny aktywnej

transkrypcyjnie jest większa niż nieaktywnej
chromatyny

MECHANIZMY NAPRAWY DNA

-

usuwanie błędnie sparowanej zasady

- naprawa przez wycinanie zasad

azotowych

- naprawa przez wycinanie

nukleotydów

- naprawa rekombinacyjna
- odpowiedź SOS

MECHANIZMY NAPRAWY DNA