REGULACJA

EKSPRESJI

GENÓW

REGULACJA EKSPRESJI GENÓW U PROKARYOTA



Na poziomie transkrypcji – regulacja liczby

wytworzonych cząsteczek mRNA;



Na poziomie translacji – regulacja liczby łańcuchów

polinukleotydowych syntezowanych z

wykorzystaniem jednej cząsteczki mRNA;



Na poziomie potranslacyjnym – regulacja aktywności

produktu danego genu.

Regulacja szybkości inicjacji transkrypcji – główny

sposób kontroli ekspresji genetycznej.



Regulacja wewnętrzna – zależy od właściwości

promotora i jego stopnia oddziaływania z polimerazą

RNA:



Geny zawierające promotory słabe wykazują niski

poziom ekspresji;



Geny zawierające promotory silne wykazują

wysoki poziom ekspresji.



Regulacja zewnętrzna – zależy od czynników

zewnętrznych niezwiązanych ze strukturą genu;

dotyczy głównie genów z silnymi promotorami.

Ekspresja wielu genów regulowana jest w

zależności od aktualnych potrzeb komórki.

OPERON – zbiór sąsiadujących ze sobą nukleotydów

stanowiących jeden lub więcej genów, na których

syntezowana jest pojedyncza cząsteczka mRNA

Łączenie się białek represorowych z operatorami

modulują efektory:



INDUKTORY – powodują

utratę powinowactwa

represora do operatora, a

co za tym idzie ich

wzajemne odłączenie

(zachodzi transkrypcja).



KOREPRESORY –

powodują aktywację

represora i umożliwiają

jego połączenie z

operatorem (transkrypcja

nie zachodzi).

Operony podlegają regulacji:



Pozytywnej – do odblokowania transkrypcji konieczny

jest dodatkowy czynnik, np. laktoza



Negatywnej – transkrypcja blokowana jest przez

wolny represor

Wyróżnia się dwa typy operonów:

KATABOLICZNE-

indukowane

ANABOLICZNE-

ulegające represji

Czynne, gdy dana

substancja znajduje się w

komórce lub jej środowisku

zewnętrznym.

Czynne, gdy brak jest

danej substancji w

komórce lub jej środowisku

zewnętrznym.

Ich produkty (enzymy)

uczestniczą w szlakach

katabolicznych (degradacja

substancji)

Ich produkty (enzymy)

uczestniczą w szlakach

anabolicznych (synteza

substancji)

np. operon laktozowy

np. operon tryptofanowy

Operon laktozowy (lac ZYA) – regulacja

negatywna

Operon laktozowy (lac ZYA) – regulacja

pozytywna

Proces represji katabolicznej

Proces represji katabolicznej c.d.

Operon tryptofanowy (trp) – mechanizm represji

Operon tryptofanowy (trp) – mechanizm

derepresji

Atenuacja w operonie tryptofanowym



Duże stężenie tryptofanu



Małe stężenie tryptofanu

REGULACJA EKSPRESJI GENÓW U EUKARYOTA

U Eukariota większość genów nie jest aktywna.

Aktywacja następuje w momencie, gdy komórka

potrzebuje określonego produktu. Istnieje ścisła

zależność między genomem komórki a jej stanem

funkcjonalnym.

Ekspresja genów w komórce Eukariotycznej podlega

dużo bardziej złożonej kontroli niż u Procaryota.

Ze względu na to, iż transkrypcja i translacja

oddzielone są od siebie przestrzennie i czasowo,

pojawiają się dodatkowe etapy, na których może

zachodzić regulacja procesów tworzenia białek.

Regulacja ekspresji genów u Eukaryota może

przebiegac na następujących etapach:



I – na poziomie chromatyny.



II – na poziomie transkrypcji.



III – na poziomie post-transkrypcyjnym.



IV – na poziomie translacji.



V – na poziomie post-translacyjnym.

I. Regulacja ekspresji genów na poziomie

chromatyny.



Dotyczy udostępniania do transkrypcji różnych

odcinków chromatyny

Euchromatyna

Heterochromatyna

Chromatyna rozluźniona

Chromatyna skondensowana

Występuje w obszarach, gdzie

geny mają ulec ekspresji

Występuje w obszarach, w

których geny nie będą

transkrybowane

Aktywna transkrypcyjnie

Nieaktywna

Za dostęp polimerazy RNA i czynników

transkrypcyjnych do miejsca promotorowego

odpowiada umiejscowienie nukleosomów w

chromatynie.

Rozluźnienie struktury chromatyny i jej większą

aktywność powoduje acetylacja i fosforylacja białek

histonowych.

Skondensowanie stryktury chromatyny i zmniejszenie jej

aktywności transkrypcyjnej powoduje deacetylacja i

metylacja białek histonowych.

Przykładem regulacji ekspresji genów na poziomie

chromatyny jest inaktywacja chromosomu X.

CZYNNIKI TRANSKRYPCYJNE:



Czynniki kontroli ekspresji genów,



Kodowane przez geny regulatorowe,



Przyłączają się do specyficznych sekwencji DNA;



Wyróżnia się:



Podstawowe czynniki transkrypcyjne- niezbędne do

transkrypcji wszystkich genów strukturalnych;

przyłączają się do DNA w regionie promotora i

umożliwiają przyłączanie polimerazy RNA; np. TF II A,

TF II D, TF II B.



Specyficzne czynniki transkrypcyjne- aktywują niektóre

geny na określonym etapie rozwoju; wiążą się z DNA w

obrębie specyficznych sekwencji.



Wyciszacze – hamują transkrypcję,



Wzmacniacze – zwiększają aktywność transkrypcyjną.

II. Regulacja ekspresji genów na poziomie

transkrypcji.

Miejsce działania głównych i specyficznych

czynników transkrypcyjnych

Specyficzne czynniki transkrypcyjne - budowa

Specyficzne czynniki transkrypcyjne posiadają

konfigurację (motyw) umożliwiającą dokładne i

stabilne wiązanie z odpowiednimi regionami DNA.



Motyw helisa- zwrot-

helisa – zbudowana z

α-helis połączonych

zwrotami o budowie β-

harmonijki.



Motyw palca

cynkowego – buduje

go 30 aminokwasów,

z których część

tworzy pętlę; u

podstawy pętla ta

związana jest przez 4

reszty

aminokwasowe z

atomem cynku.



Motyw zamka

leucynowego –

zbudowany z dwóch

α-helis, w których w

obrębie ok. 35 reszt

aminokwasowych co

siódmym

aminokwasem jest

leucyna; pozwala to

na połączenie dwóch

identycznych lub

różnych jednostek na

wzór zamka

błyskawicznego.

III. Regulacja ekspresji genów na poziomie

potransktypcyjnym.



Alternatywny splicing.



Redagowanie RNA.



Cytoplazmatyczna kontrola stabilności mRNA.



Wyciszanie RNA.

Alternatywny splicing

Redagowanie RNA

Polega na rearanżacji pojedynczych nukleotydów w

obrębie mRNA, ich duplikacji lub insercji.

Cytoplazmatyczna kontrola stabilności mRNA

Skupia się ona na procesach degradacji mRNA.

Po zakończeniu transkrypcji mRNA może jeszcze długo

przetrwać w komórce- dzięki temu kodowane białko

jest stale syntezowane.

Zahamowanie syntezy niektórych białek jest częścią

prawidłowego rozwoju. Wówczas mRNA kodujący

dane białko musi zostać usunięty.

Na stabilność mRNA wpływa:



długość ogona poli-A,



usunięcie struktury czapeczki,



stan metaboliczny komórki,



hormony.

Wyciszanie ( interferencja) RNA



miRNA (mikroRNA)



Zbudowane z 20-26 nukleotydów;



Transkrybowane jako pre-miRNA- dopiero w

cytoplazmie zostaje przecięte do funkcjonalnego

miRNA przy udziale endonukleazy Dicer;



Wiążą się z mRNA poprzez niedoskonałe parowanie

zasad – interferencja RNA;



Wstrzymują translację



siRNA (małe interferujące RNA)



Zbudowane z 21-25 nukleotydów



Dwuniciowy kompleks dsRNA w cytoplazmie jest cięty

przy udziale endonukleazy Dicer na odcinki siRNA;



Odcinki siRNA łączą się z białkiem Ago i uwalniają

jeden odcinek RNA oraz pozostawiają drugi związany z

białkiem;



Pozostawiony odcinek łaczy się komplementarnie z

mRNA i powoduje jego degradację

IV. Regulacja ekspresji genów na poziomie

translacji

Proces translacji może być regulowany na jego

pierwszym etapie- etapie inicjacji.

Blokada inicjacji translacji polega na łączeniu się białka

regulatorowego ze specyficznymi sekwencjami lub

strukturami w obrębie cząsteczki mRNA.

V. Regulacja ekspresji genu na poziomie

potranslacyjnym



Fałdowanie białka w prawidłową strukturę

trzeciorzędową – dopiero wówczas białko staje się

aktywne. Pomagają w tym białka opiekuńcze

(chaperony), które wiążą się w sposób odwracalny z

niepofałdowanym białkiem, pomagając mu odnaleźć

prawidłową strukturę przestrzenną.



Cięcia proteolityczne – katalizowane są przez

proteazy. Usuwane są krótkie fragmenty polipeptydu,

a powstała cząsteczka po uzyskaniu odpowiedniej

formy przestrzennej staje się aktywna.



Modyfikacje chemiczne – przyłączanie nowych grup

chemicznych do aminokwasów w polipeptydzie, np.

grupy acetylowej, fosforanowej, metylowej.



Wycinanie intein – inteiny są sekwencjami podobnymi

do intronów.

Regulacja funkcji genów przez

zewnątrzkomórkowe związki sygnalizujące