Regulacja ekspresji

genów

u organizmów

eukariotycznych. I.

Zasadnicze różnice między organizmami

prokariotycznymi i eukariotycznymi

Regulacja ekspresji genów u Eukaryota

Organizmy eukariotyczne posiadają jądro, a ich

geny są nieciągłe

Struktura genu kodującego

dehydrogenazę alkoholową – Adh u

Eukaryota i Prokaryota

Promoter region

Promoter region

•

TATA box

TATA box

•

CAAT box (in mammals)

CAAT box (in mammals)

•

GC box (GGGCGGG)

GC box (GGGCGGG)

Initiation codon

Initiation codon

Stop codon

Stop codon

Polyadenylation

Polyadenylation

signal

signal

AATAA

AATAA

Exon 1

Exon 1

Exon 2

Exon 2

Exon 3

Exon 3

Exon 4

Exon 4

Intron 1

Intron 1

Intron 2

Intron 2

Intron 3

Intron 3

5’

5’

3’

3’

Eukaryot

Eukaryot

a

a

Initiation codon

Initiation codon

Stop codon

Stop codon

Promoter region

Promoter region

•

Shine-Dalgarno box (AGGAGG)

Shine-Dalgarno box (AGGAGG)

•

Pribnow box (TATAAT)

Pribnow box (TATAAT)

•

-35 site (TTGACA)

-35 site (TTGACA)

Prokaryot

Prokaryot

a

a

5’

5’

3’

3’

Jim Provan

Poziomy regulacji ekspresji genów
eukariotycznych

Transkrypcja

Po transkrypcji

Translacja

Po translacji

Regulacja ekspresji genów

eukariotycznych na poziomie

transkrypcji

Elementy systemu regulacji:

Polimerazy RNA

polimeraza I: synteza 18S, 5.8S, 26S rRNA
polimeraza II: większość białek, wszystkie mają

czapeczkę (GTP 5’-5’)

polimeraza III: synteza małych cząsteczek RNA (tRNA,

5S rRNA,

snRNA)

Czynniki transkrypcyjne
Promotory (sekwencje TATA i CAAT)
Sekwencje wzmacniające (enhancery)
Sekwencje osłabiające (silencery)

Regulacja ekspresji niektórych genów
eukariotycznych jest pozornie podobna do
prokariontów.

A. Regulon fosforanowy u Neurospora crassa

Geny regulatorowe

Geny struktury

PHO-2

Brak PO

4

-2

NUC-2 PREG NUC-1

PHO-3

PVOG

- -

+

+

-

Pho-2 – reprymowalna alkaliczna fosfataza
Pho-3 – kwaśna fosfataza

http://www.pubmedcentral.nih.gov/pagerender.fcgi?artid=361368&pageindex=1

http://www.pubmedcentral.nih.gov/pagerender.fcgi?artid=359321&pageindex=1

Regulacja ekspresji niektórych genów
eukariotycznych jest pozornie podobna do
prokariontów.

B. Biosynteza aminokwasów aromatycznych u Neurospora
crassa

Arom1 – reduktaza kwasu dehydroszikimowego (1)
Arom9 – dehydrogenaza kwasu dehydroszikimowego (2)
Arom5 – kinaza kwasu szikimowego (3)
Arom4 – syntetaza kwasu enolopirogronylofosfoszikimowego
(4)
Arom2 – syntetaza kwasu dehydrohinowego

Kwas fosfoenolopirogronowy + erytrozo-4-fosforan kwas 3-
deoksyarabinozoheptulozofosforanowy

5 2 1

3

Kwas dehydrohinowy kwas dehydroszikimowy
kwas szikimowy

4

Kwas fosfoszikimowy kwas 3-enolopirogronylofosfoszikimowy
Kwas choryzmowy

*)

*)

prekursor aminokwasów aromatycznych

Arom1 Arom9 Arom5 Arom4
Arom2

Transkrypcyja genów
eukariotycznych

Transkrypcyja genów eukariotycznych

- utworzenie kompleksu

transkrypcyjnego

Czynniki transkrypcyjne

(„TF-y” od ang. transcriptinal

factors)

Budowa czynników
transkrypcyjnych

Domeny wiążace DNA: helisa-zwrot-helisa, palce cynkowe,

helisa-pętla-helisa

Domeny odpowiedzialne za dimeryzację: suwak leucynowy,

helisa-pętla-helisa

Budowa czynników
transkrypcyjnych

Domeny wiążace DNA: helisa-zwrot-helisa, palce cynkowe,

helisa-pętla-helisa

Domeny odpowiedzialne za dimeryzację: suwak leucynowy,

helisa-pętla-helisa

Udział sekwencji wzmacniających

w regulacji

ekspresji genów eukariotycznych

Udział sekwencji wzmacniających i

osłabiających

w regulacji ekspresji genów

eukariotycznych

Regulacja ekspresji genów

eukariotycznych

po transkrypcji

A. Dojrzewanie (składanie) transkryptu

Regulacja ekspresji genów

eukariotycznych

po transkrypcji

A. Dojrzewanie (składanie) transkryptu

Regulacja ekspresji genów

eukariotycznych

po transkrypcji

A. Dojrzewanie (składanie) transkryptu

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji

genów eukariotycznych

B. Alternatywne składanie transkryptu

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3
4 5 6 7

Fibronektyna powierzchni
komórki

Fibronektyna
osoczowa

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji

genów eukariotycznych

B. Alternatywne składanie transkryptu

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji

genów eukariotycznych

B. Alternatywne składanie transkryptu

E1

E2

E3

I1

I2

I3

E1

E1

E3

E2

E2

E3

I1

I2

I3

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji

genów eukariotycznych

B. Wybór miejsca terminacji transkrypcji (jednego z
kilku możliwych
miejsc poliadenylacji)

Redagowanie występuje głównie w mt mRNA i ct

mRNA i ma
charakter losowy

Redagowanie może dotyczyć od 0.8% do 5.8%

nukleotydów

Dotychczas odnotowano ok. 300 przypadków

redagowania
transkryptów

Redagowanie najczęściej dotyczy kodonów dla

aminokwasów
Pro - Leu, Ser - Leu, Ser – Phe i Trp - Arg.

Inne zmiany: start kodon - treonina

(

AUG - ACG i

odwrotnie); stop
kodony mogą powstać z kodonów CAG, CAA i CGA.

Nie odnotowano przypadków redagowania

strukturalnego RNA,
np. tRNA czy rRNA

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji

genów eukariotycznych

C. Zmiany sekwencji transkryptu (redagowanie,
editing)

Typ redagowania

Występowanie

Insercja i delecja jednego

lub więcej U

Zamiana C na U

Zamiana A na G

Dodanie dodatkowych C

Dodanie dodatkowych G

mt mRNA u pierwotniaków

Trypanosoma

i Leihmania

mRNA apolipoproteiny B u ssaków,

mt mRNA

u roślin

mRNA receptora kwasu

glutaminowego w mózgu

ssaków

mRNA mitochondrialnego genu

kodującego

podjednostkę syntazy ATP u

Physarium

Niektóre geny paramyksowirusów

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji

genów eukariotycznych

C. Zmiany sekwencji transkryptu - przykłady

Regulacja ekspresji genów z udziałem
hormonów

Regulacja ekspresji genów eukariotycznych
po translacji.

A. Składanie pierwotnych produktów translacji

Regulacja ekspresji genów eukariotycznych po
translacji.

A. Składanie pierwotnych produktów translacji

Prekursor białkowy
119 kDa

N-eksteina

inteina

C-eksteina

Endonukleaza 50
kDa

Podjednostka ATPazy
69 kDa

U drożdży dwa różne białka powstają z prekursora
białkowego kodowanego przez gen TFP1

Regulacja ekspresji genów
globinowych

Globiny są apoenzymami, które po połączeniu
z cząsteczką hemu wytwarzają hemohlobinę

Hemoglobiny embrionalne i postembrionalne

różnią się powinowactwem do O

2

Hemoglobiny postembrionalne:

Hemoglobina A (HbA) = 2

łańcuchy
-globiny + 2 łańcuchy -globiny

+ hem

Hemoglobina A2 (HbA2) = 2

łańcuchy
-globiny + 2 łańcuchy -globiny

+ hem

Hemoglobiny embrionalne:

Hemoglobina E (HbE) - łańcuch 

zamiast 
(wczesnoembrionalna; do 6-tego
tyg. ciąży)

Hemoglobina F (HbF) – łańcuch 

zamiast 
(późnoembrionalna; od 6-tego
tyg. ciąży)

LCR

LCR

Synteza hemu jest
złożonym, wieloetapowym
procesem. Rozpoczyna się
on w mitochondrium, gdzie
następuje kondensacja
sukcynylo-CoA
i glicyny - powstaje kwas 5-
aminolewulinowy.
Następnie
w cytoplaźmie produkowany
jest koproporfyrynogen III,
który jest transportowany
do mitochondrium.
Ostatnim etapem jest
wytworzenie hemu

Biosynteza
hemu

Hemoglobina

wczesnozarodkowa

Hemoglobina

późnozarodkowa

Hemoglobina dorosłego

człowieka

gower 1- zeta(2),

epsilon(2)
gower 2- alpha(2),

epsilon (2)

Portland- zeta(2),

gamma (2)

hemoglobina F-

alpha(2), gamma(2)

hemoglobina A- alpha(2),
beta(2)

hemoglobina A2- alpha(2),

delta(2) – u 3% populacji

Rozwojowa regulacja ekspresji genów
globinowych

Rozwojowa regulacja ekspresji genów
globinowych

http://www.oup.com/genesvii
http://batzerlab.lsu.edu/Hum_Mol_Gen_Lectures/Levings_and_Bungert_2002_-_Bglobin_LCR_function.pdf

LCR – locus control
region

HS – hypersensitive
site

Rozwojowa regulacja ekspresji genów
globinowych

Regulacja ekspresji genów globinowych zależna od
poziomu hemu

Brak hemu (heminy*) -
przy niedoborach żelaza
powoduje wzrost syntezy
kinazy białkowej (2) i
fosforylację mniejszej
podjednostki białka eIF2
(3), białka koniecznego do
zainicjowania kompleksu
translacyjnego mRNA
genów globinowych – brak
translacji

Normalny poziom hemu
(heminy) – defosforylacja
eIF2 (4) – translacja genów
globinowych

*) hemina = hematyna – pochodna hemu zawierająca
Fe

+3

zamiast Fe

+2

Choroby wywołane substytucją

amonokwasów w łańcuchu  i  globiny

Substytucja

Pozycja

Nazwa Hb

Łańcuch 

Ala/Asp
Gli/Asp
Liz/Glu
Gli/Asp
Glu/Arg
His/Tyr

5
15
16
22
54
87

J Toronto
J Oxford
I
J Mendluu
Shimonoseki
M Iwate

Łańcuch 

Glu/Liz
Glu/Wal
Glu/Liz
Glu/Gli
His/Tyr
Hus/Arg
Liz/Glu

6
6
7
7
63
63
95

C
S
Siriraj
San Jose
M Saskatoon
Zurich
N

Anemia

sierpowata

Ewolucja genów
globinowych

Rozwój odpowiedzi immunologicznej
limfocytów B

Schemat budowy
przeciwciała

Struktura loci przeciwciał u człowieka

Struktura loci przeciwciał u myszy

Składanie aktywnych genów

przeciwciał

i ich ekspresja w limfocytach B

Składanie aktywnych genów przeciwciał

Składanie aktywnych genów

przeciwciał

Składanie aktywnych genów przeciwciał i

ich ekspresja w limfocytach B myszy

http://www.mrc-cpe.cam.ac.uk/phage/images/germline.gif

Łańcuchy lekkie: 300 sekwencji V, 5

sekwencji J, do 10 możliwości składania V- J –

15.000 kombinacji

Łańcuchy ciężkie: 80 sekwencji V, 50

sekwencji D,
6 sekwencji J, do 100 możliwości składania V-
D i D-J –

2.4 mln. kombinacji

15.000 x 2.4 mln. -

36 bilionów

różnych przeciwciał

 

Regulacja ekspresji genów

eukariotycznych

z udziałem zjawiska RNAi

1.Charakterystyka zjawiska

Proces mający na celu wykrycie i inaktywację kwasów
nukleinowych, których aktywność może w jakiś sposób
zagrozić komórce
Cząsteczka dsRNA powstaje dzięki obecności polimerazy
RNA zależnej od RNA (RdRp – RNA dependent RNA
polymerase) lub można ją wytworzyć sztucznie
dsRNA są rozpoznawane i rozcinane przez specyficzną
endonukleazę „Dicer” na małe dwuniciowe fragmenty 21-25
nukleotydów – siRNA (lub miRNA)
Dwuniciowe siRNA/miRNA wiąże się z kompleksem
rybonukleaz tworząc indukowany przez RNA kompleks
wyciszający (RISC – RNA-induced silencing complex)
Aktywacja kompleksu RISC wymaga rozwinięcia siRNA
Aktywny RISC „odnajduje” komplementarny mRNA i
przecina go w odległości 12 nukleotydów od końca 3’ siRNA
Pierwotne siRNA/miRNA mogą być starterami do
amplifikacji dsRNA przez RdRp (jako matryca służy
wyciszany mRNA lub wprowadzony sztucznie dsRNA), co
prowadzi do powstania wtórnych siRNA i rozprzestrzenienia
się sygnału

Regulacja ekspresji genów

eukariotycznych

z udziałem zjawiska RNAi

2. Mechanizmy wyciszania genów

Wyciszanie potranskrypcyjne (PTGS) – indukcja degradacji
mRNA, blokowanie translacji
Wyciszanie transkrypcyjne (TGS) – indukcja zmian w
strukturze chromatyny

3. Znaczenie biologiczne

Reakcje odporności na wirusy
Regulacja procesów wzrostu i rozwoju
Zaprogramowana eliminacja DNA
Represja/depresja genów w obszarze heterochromatyny

4. Wykorzystanie

Analiza funkcjonalna genomów przez wyciszanie ekspresji
wybranych genów
Intensyfikacja ekspresji wybranych genów przez
wykorzystanie supresorów RNAi

Jeszcze kilkanaście lat temu nikt nie przypuszczał,

że w komórce istnieje mechanizm specyficznego

hamowania pracy genów

za pomocą cząsteczek RNA. Dziś interferencja RNA

rewolucjonizuje wiele dziedzin nauki.

Stary ewolucyjnie i szeroko rozpowszechniony wśród

organizmów system regulacji pracy genów, pełniący także

rolę strażnika genomu zwany interferencją RNA (RNAi)

przez długi czas umykał uwadze naukowców. Jeszcze

kilkanaście lat temu nikt nie przypuszczał, że aby

„wyłączyć” gen, wystarczy „zabić” jego posłańca, czyli

zniszczyć cząsteczkę mRNA (messenger RNA), która

pośredniczy w przepływie informacji genetycznej między

genem a jego produktem. Obecnie interferencja RNA,

która polega właśnie na „wyłączaniu” określonych genów

na poziomie ich mRNA, stanowi coraz powszechniej

stosowane narzędzie do ich badania. Co więcej, niesie

nadzieję na wytworzenie skutecznych leków przeciwko

nowotworom, AIDS i innym chorobom. W zasadzie

wszędzie tam, gdzie trzeba wyłączyć jakiś gen, można

wykorzystać RNAi. „Science” okrzyknęło interferencję

RNA przełomem roku 2002, od tamtej pory jej znaczenie

ciągle wzrasta.

A w jaki sposób udało się wpaść na trop tego zjawiska? Po

prostu w pewnym doświadczeniu uzyskano wyniki

odwrotne do zamierzonych.

Za odkrycie zjawiska interferencji RNA
amerykańcy naukowcy

Andrew Z.

Fire i

Craig C.

Mello otrzymali w

2006 roku

Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizj
ologii

. Dzięki badaniom i odkryciom noblistów
poznano fundamentalny mechanizm
kontroli przepływu informacji genetycznej,
które może mieć zastosowanie w

terapii genowej

. Już udało się wyciszyć gen

odpowiedzialny za podwyższony poziom
cholesterolu u zwierząt. W przyszłości
będzie można opracować skuteczne metody
leczenia chorób genetycznych czy
nowotworów, a także nowe odmiany
zwierząt i roślin hodowlanych.

Regulacja ekspresji genów eukariotycznych z

udziałem RNAi

siRNA

miRN
A

http://www.blc.arizona.edu/
http://www.ndsu.nodak.edu
http://www.genomicobject.net
http://www-biology.ucsd.edu/
http://www.ndsu.nodak.edu/
http://opbs.okstate.edu/
http://home.houston.rr.com/
http://www.utexas.edu/courses/
http://www.sicklecellinfo.net/
http://www.unc.edu/~lviscrst/
http://bio.winona.edu/bates/Bio241/
http://www.people.virginia.edu/
http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/
http://departments.oxy.edu/biology/
http://sickle.bwh.harvard.edu/
http://www.rnai.dk/

http://home.houston.rr.com/
http://www.utexas.edu/courses/
http://www.sicklecellinfo.net/
http://www.unc.edu/~lviscrst/
http://bio.winona.edu/bates/Bio241/
http://www.people.virginia.edu/
http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/
http://departments.oxy.edu/biology/
http://sickle.bwh.harvard.edu/
http://www.rnai.dk/

Rozwojowa regulacja ekspresji genów
globinowych