Regulacja funkcji genów pod wpływem temperatury. Regulacja ekspresji genów przez hormony steroidowe

Komórki eukariotyczne odowiadają na

nieznaczne podwyższenie temperatury

(10% ponad wartość fizjologiczną),

wzmożoną syntezą grupy polipeptydów

zwanych

BIAŁKAMI SZOKU

TERMICZNEGO HSP (

heat shock proteins).

Do syntezy HSP dochodzi w wyniku

działania czynników stresowych tj:

-infekcje wirusowe,

-czynniki uszkadzające DNA,

-analogi aminokwasów,

-zmiana pH środowiska

-obecność etanolu.

Odpowiedź szoku termicznego jest

charakterystyczna dla wszystkich

organizmów, a wzrost stężenia HSP

zachodzi w wyniku podwyższenia

transkrypcji genów szoku termicznego.

Niektóre z genów szoku termicznego

mogą być aktywowane podczas

normalnego wzrostu i rozwoju organizmu.

HSP charakteryzują się:

- wysokim stopniem homologii zarówno na

poziomie sekwencji aminokwasowej jak i

struktury.

Wiele z tych protein np.: GroEl, Gro Es,

DnaK, DnaJ, GrpE, ClpX, to białka klasy

białek opiekuńczych. Inne, liczne białka

szoku termicznego to proteazy lub białka

z nimi współpracujące, np..: Lon, ClpP,

ClpA, ClpX, hlfX.

W komórkach eukariotycznych

odpowiedź na szok termiczny

regulowana jest na etapie inicjacji

transkrypcji przez uaktywnienie

specjalnego czynnika transkrypcyjnego,

zwanego czynnikiem szoku cieplnego,

HSF ( Heat Shock Factor). W komórkach

drożdży czynnik ten związany jest z

DNA, a jego aktywacja jest wynikiem

fosforylacji. W komórkach wyższych

organizmów eukariotycznych aktywacja

transkrypcji następuje w wyniku

wiązania HSF d sekwencji DNA, zwanej

HSE zlokalizowanej w odległości ok. 80-

200 par zasad od miejsca początku

transkrypcji mRNA. Sekwencje HSE

wiążą HSF- patrz ryc. 5.23 i 5.24

W komórkach drożdży i muszki owocowej

zidentyfikowano tylko jeden czynnik szoku

termicznego (HSF). W komórkach organizmów

eukariotycznych zidentyfikowano ich przynajmniej

dwa (mysz, człowiek –HSF1, HSF2) lub trzy (pomidor,

kura- HSF1, HSF2, HSF3).

Czynniki szoku termicznego różnią się funkcjonalnie:

- czynnik HSF1- odpowiada za indukcję odpowiedzi

szoku termicznego w wyniku podwyższenia

temperatury lub innych czynników stresowych,

- czynnik HSF2- do jego aktywacji dochodzi podczas

specyficznych etapów rozwoju i różnicowania

komórek.

W warunkach fizjologicznych HSF1 występuje w

cytoplazmie i jądrze komórkowym jako monomer.

Natomiast warunki stresowe doprowadzają do

oligomeryzacji cytoplazmatycznego HSF1, tworząc

trimer (HSF1)3 i fosforylacji oraz transportu tego

trimeru do jądra komórkowego.Trimeryczna forma

HSF1 jest formą aktywną, która przez wiązanie do

sekwencji HSE aktywuje transkrypcję genów szoku

termicznego.

Wszystkie znane czynniki szoku termicznego, pomimo

znacznych różnic w wielkości i tylko ok..40% homologii,

posaidają dwie charakterystyczne domeny. Pierwsza,

obejmująca ok.. 100 N-końcowych aminokwasów, jest

homologiczna z bakteryjnymi czynnikami i odpowiada za

wiązanie do DNA. Druga, leżąca centralnie w białku HSF,

zawiera hydrofobowe aminokwasy tworzące strukturę

suwaka leucynowego i odpowiada za tworzenie aktywnych

trimerów białka HSF.

Aktywacja genów szoku termicznego jest jedną ze zmian

zachodzących w komórce w odpowiedzi na stres.

Modyfikacje dotyczą również jej aktywności metabolicznej i

czasu półtrwania organelli komórkowych. Aktywność

metaboliczna jądra komórkowego należy do najbardziej

wrażliwych na stres. Proces syntezy DNA ulega

spowolnieniu, kumulują się prekursory rRNA i zahamowane

zostaje usuwanie intronów z hnRNA. Histony ulegają

modyfikacji przez fosforylację. Po krótkim lecz silnym szoku

termicznym następuje natychmiastowa dysocjacja

polisomów. W komórce zmienia się przebieg procesów

glikolizy i kumuluje się kwas mlekowy.

Znaczącą rolę w regulacji ekspresji genów

odgrywają hormony steroidowe, które wpływają na

wzrost i różnicowanie się komórek wyższych

Eukaryota.

Sygnał hormonalny (ligand) przekazywany jest do

genu docelowego przez receptory

wewnątrzkomórkowe. Wiązanie liganda do

odpowiedniego receptora uruchamia interakcje tak

powstałego kompleksu z charakterystyczną

regulatorową sekwencją DNA w genie docelowym,

zwaną elementem odpowiedzi hormonalnej.

Receptor związany z ligandem ułatwia tworzenie

się kompleksu z innymi czynnikami

transkrypcyjnymi i stymuluje transkrypcję

Nadrodzina receptorów hormonów steroidowych

należy do grupy receptorów jądrowych. Grupa ta

zawiera receptory dla estradiolu, progesteronu,

androgenów, glikokortykoidów,

mineralokortykoidów, hormonu tarczycy, witaminy

(D3), kwasu retinowego, a także niektórych

ankogenów.

Wszystkie one posiadają identyczną strukturę ogólną, na

którą składają się:

- koniec NH2- terminalny o różnej długości, nie

konserwatywny specyficzny dla receptora. Rola

funkcjonalna tej domeny nie jest znana,

region składający się z ok. 65 aminokwasów, bardzo

konserwatywny. Ta domena genu oddziałuje z DNA.

Odnajdujemy w niej dwa motywy „palców cynkowych” ,

lepiej zachowany pozostaje pierwszy z nich, gdzie jon

cynku związany jest przez 4 cysteiny łańcucha bocznego.

Każde z ugrupowań cynkowych kodowane jest przez

oddzielny ekson genu receptora;

- region nie konserwatywny o zmiennej długości

- receptor kończy się domeną o zmiennej długości,

do której wiąże się hormon.

Mimo że hormony mogą posiadać skrajnie różną

strukturę, homologia tego regionu mieści się w granicach

15 – 75%.

Ze względu na strukturę i funkcję receptory hormonów

steroidowych można podzielić na dwie grupy:

jedną zawierającą receptory glikokortykoidów

(GR), progesteronu (PR), androgenów (AR),

mineralokortykoidów (MR),

- drugą zawierającą receptory estrogenów

(ER), hormony tarczycy (TR), kwasu retinowego

(RAR), witaminyD3 (D3R).

W pierwszej grupie między dwoma cysteinami w

C końcowej części pierwszego ugrupowania

cynkowego występuje zawsze sekwencja Gly-

Ser, natomiast w drugiej Glu-Gly.

Element odpowiedzi hormonalnej (HRE).

Zaktywowane receptory hormonów steroidowych wiążą się ze

specyficznymi sekwencjami DNA, tzw. Elementami odpowiedzi

hormonalnej (HRE).

Elementy odpowiedzi na hormon regulują ekspresję

sąsiadujących genów oraz inne miejsca kontroli transkrypcji.

Badania nad HRE pozwoliły na odkrycie palindromowych

sekwencji 15 par zasad, mogących znajdować się w odległości

od 100 do kilku tysięcy par zasad od miejsca startu

transkrypcji (kodon AUG).

HRE dzieli się na 4 klasy:

- GRE – element odpowiedzi glikokortykoidów, wiąże się

on też receptory AR, PR, MR.

- ERE – element odpowiedzi estradiolu,

- TRE – element odpowiedzi hormonu tarczycy, do którego

przyłącza się również receptor RAR,

- DRE – ostatnią grupę stanowi sekwencja, która wiąże

„ receptory sieroce”.

Receptory steroidowe występują w kompleksach o masie 8-10

S, związane z kilkoma niereceptorowymi białkami szoku

cieplnego, jak Hsp 90, Hsp 70, Hsp 56 i Hsp90-59.

W tych wysokocząsteczkowych kompleksach receptor jest

funkcjonalnie nieaktywny.

Ligandy decydują o aktywacji genów regulowanych

przez receptory hormonów

steroidowych. Hormon

indukuje niewielkie zmiany w kinetyce wiązania i

powinowactwie receptora do HRE. Wiązania liganda

wywołuje zmianę allosteryczną receptora, w skutek

czego umożliwia dostęp innym czynnikom

transkrypcyjnym lub polimerze RNA do rejonu

aktywacji transkrypcji w receptorze.

To oddziaływanie białko-białko może dać sygnał do

rozpoczęcia transkrypcji.

Podczas nieobecności liganda większość receptorów

ER, PR, AR zlokalizowanych jest w cytoplaźmie, a

kompleks receptor – hormon migruje do jądra

komórkowego, aby modulować ekspresję genów.

Pewna ilość receptorów występuje też w jądrze, od

obecności hormonu. Receptory GR, MR, TR, RAR

występują w jądrze niezależnie od obecności

hormonu. Receptory GR, MR, TR, RAR, występują w

jądrze niezależnie od obecności liganda

Receptory jądrowe hormonów steroidowych są typowym

przykładem białek transregulatorowych transkrypcji.

Umożliwiają one inetrakcje z innymi białkami, a

zwłaszcza z uniwersalnymi czynnikami transkrypcyjnymi i

działają stabilizująco na czynniki wiążące w pobliżu

promotora. Ten sposób interakcji cząsteczek

steroidowych receptorów jądrowych nazywa się

transkrypcją.

Białko G jest heterotrimerem ulokowanym w błonach

komórkowych, który tłumaczy i wzmacnia sygnały

przekazywane do wnętrza komórki powodując zmiany

aktywności enzymów komórkowych. Białko G posiada

strukturę IV rzędową i zbudowane jest z trech różnych

podjednostek ά, β i γ.

Heterotrimery wiążą i hydrolizują

GTP. Ta katalityczna aktywność kontroluję dezaktywację

białka.

Białka G stają się aktywne podczas interakcji, ze

specyficznym kompleksem receptor – hormon, w

obecności Mg

i GTP. Białka te jako heterotrimery

wiążące GTP wzbudzają sygnał translacji.

W momencie aktywacji białko G, jego podjednostki

dysocjują, a podjednostka α aktywuję cyklazę adenylową i

sama ulega inaktywacji hydrolizując GTP. Bodziec

pierwotny pośrednio wywołuje syntezę cAMP biorącego

udział w wielu szlakach metabolicznych.

Document Outline