Wykład V  biologia molekularna
Regulacja ekspresji genów
1) Wszystkie komórki mają taką samą informacje genetyczną
Różnice w wyglądzie oraz pełnionych funkcjach wynikają z niejednakowej aktywności różnych
genów
2) Znaczenie regulacji ekspresji genów:
" Rozwój i różnicowanie
" Odpowiedz
na warunki środowiska
" Procesy chorobowe
3) Genom  to nieprosta sekwencja liter, jest to bardziej skomplikowana struktura chemiczna
powiązana z białkami, wykonanie  programu genetycznego
4) Poziomy regulacji ekspresji genów:
" Matryca DNA  aktywacja struktury chromatyny
" Czas i częstość transkrypcji (zasadnicza regulacja odbywa się na tym poziomie)
" Proces obróbki posttranskrypcyjnej transkryptów pierwotnych
" Selekcja mRNA: wychodzenie tran skryptu z jądra do cytoplazmy oraz jego stabilność
" Translacja
" Modyfikacja potranslacyjna łańcówchów polipeptydowych
" Selektywna aktywacja i nieaktywacja białek po ich syntezie
5) Poziom matrycy DNA  struktura DNA
-białka histonowe H2A, H2B, H3, H4
- nukleosom
- solenoid
- struktury wyższego rzędu
6) Euchromatyna i heterochromatyna:
" Współczynnik upakowania  stopien skondensowania chromatyny
" W rejonach zawierających geny aktywne transkrypcyjnie upakowanie DNA jest zredukowane,
rejony te są bardziej wrażliwe na trawienie nukleazami niż pozostałą część chromatyny
" Stan aktywności chromatyny przenosi się na komórki potomne i jest jednym z elementów
pamieci komórkowej
6) Podstawowy warunek transkrypcji
aktywny stan chromatyny
" Dopiero w takiej sytuacji mogą przyłączyć się czynniki transkrypcyjne, polimerazy
RNA itd.
Ciągle aktywna chromatyna zawierająca geny warunkujące podstawowe funkcje komórki
(housekeeping gene) np. enzymy metabolizmu podstawowego
7) Chromatyna aktywna transkrypcyjnie:
" Rozluz
nienie nie jest bezwzględnie skorelowane w czasie z transkrypcją, lecz ją
poprzedza, a często pozostaje także po zakończeniu transkrypcji
" Rejon rozluz
nienia rozciąga się zwykle poza obszar genu
8) Modyfikacja białek i DNA w chromatynie aktywnej transkrypcyjnie
" Zmiany w oddziaływaniu białek z DNA (słabsze oddziaływanie histonu H1 lub jego brak)
" Swoiste lub swoiście zmodyfikowane białka (acetylacja histonów H3 i H4, duże ilości
białek HMG 14 i 17, ubikwitynowanie formy histonów H2A i H2B)
Zmiany związane z rozluz
nieniem włókna chromatynowego.
" Metylacja cytozyny  wyspy CpG (mniejszy stopien metyzacji DNA w rejonach aktywnych
transkrypcjnie)
" Metyzacja może zmieniac: powinowactwo DNA do czynników transkrypcyjnych, ułożenie
nukleosomów w danym rejonie, oddziaływanie histonu H1 z DNA)
" Wzór metyzacji zmienia się podczas różnicowania komórek
Metyzacja sekwencji CpG w rejonie promotorów tych genów  unieczynnienie tych genów
Rozluz
nienie struktury chromatyny nie jest warunkiem wystarczającym do rozpoczęcia
transkrypcji; umożliwia ono drugi etap aktywacji  rozpoznanie przez czynniki transkrypcyjne
miejsc wiązania
9) Miejsca nadwrażliwe na nukleazy
 otwarte okna chromatyny
" Część genomu bardziej wrażliwa na nukleazy niż chromatyna aktywna
transkrypcyjnie (x10)
" Miejsca rozmieszczone swoiście w stosunku do sekwencji nukleotydów
" Nie występują w nich nukleosomy
" Swobodnie dostępne dla czynników białkowych
10) Miejsca nadwrażliwe na nukleazy:
W miejscach tych zlokalizowane są:
" Sekwencje promotorowe
" Enhancery
" Silencery
" Miejsca inicjacji replikacji
" Miejsca germinacji transkrypcji
" Miejsca swoistego wiązania topoizomeraz
" Centromery
11) Miejsca nadwrażliwe na nukleazy:
" Wielkośc od ok. 200 do 1000 pz
" Trwały element chromatyny (miejsca konstytutywne) lub indukowane, np. pod
wpływem hormonu
12) Nietypowa konformacja DNA w chromatynie aktywnej transkrypcyjnie
" Z-DNA
" Trójniciowy DNA
" Forma krzyżowa DNA
Formy te utrudniają, albo wykluczają umieszczenie nukleosomu w tym miejscu, w którym
zostały wytworzone.
13) Transkrypcja
" Wiązanie polimerazy RNA z DNA czynniki białkowe, czynniki transkrypcyjne, które
umożliwiają polimerazie wiązanie z DNA i rozpoczęcie transkrypcji
" Regulacja działania genu: obecność i i interakcje czynników transkrypcyjnych(c.t)
" Obecność i aktywność c.t zależna od: stanu fizjologicznego komórki, od jej
przeszłości, otoczenia itd.!!!!!!
14) Geny kodujące białka są transkrybowane przez polimeraze II
Czynniki TFII (A,B,D,E,F)  wiele z tych czynników współdziała jeszcze z dodatkowymi białkami
15) PROMOTOR  przylegający do miejsca startu transkrypcji obszar regulatorowy, wiązący różne
czynniki transkrypcyjne
Na transkrypcje wpływają również inne obszary  sekwencje wzmacniające (enhancery)
16) Regulacja działania genu: przyłączenie się do jej obszarów regulatorowych odpowiednich
białek(to czy dane białko się przyłączy zależy od:
- ich obecności w danej tkance
- obecności aktywatorów i inhibitorów, które wpływają na działanie tych czynników)
17) sekwencje wzmacniające transkrypcje (enhancer) wiążą czynniki transkrypcyjne, wpływają na
ekspresje niezależnie od swojego położenia i orientacji względem genu (enhancer może leżeć pare
tysięcy pz za genem lub w obrębie genu  w jego intronie)
" Sekwencje osłabiające transkrypcje  silencer
18) Czynniki transkrypcyjne:
" Są to białka o roznej budowie
" Białka te zawierają 2 odrebne domeny:
I. Wiążąca się z DNA
II. Obszar lub domena aktywująca, służy do interakcji z innymi elementami aparatu
transkrypcyjnego (np. polimerazą)
Czynniki transkrypcyjne klasyfikuje się na podstawie budowy domeny wiążącej
19) Poziom transkrypcji
Białka regulatorowe
" Czynniki transkrypcyjne
" Białka o strukturze: heliks-skręt-heliks, heliks-pętla-heliks, białka zawierające tzw.
Palce cynkowe, białka zawierające tzw. Suwaki leucytowe
20) Regulacja post transkrypcyjna:
" Wycinanie intronów i składanie egzonów  splicing
" Redagowanie RNA
" Modyfikacja stabilności mRNA
" Magazynowanie mRNA
21) Alternatywny splicing - ?
22) Usuwanie intronów  dla niektórych transkryptów istnieje możliwość wytworzenia kilku
rodzajów mRNA
23) Alternatywne składanie:
" Z tego samego Horna powstają różne mRNA
24) Introny występują:
" W genach kodujących białka, genach kodujących tRNA oraz rRNA
" W genach jądrowych oraz organellach
25) Zapis w mRNA może się różnic od zapisu w DNA:
" Pre-mRNA ulega obróbkom potranskrypcyjnych: cięcie, składanie genowe,
modyfikacje końców 5 i 3
" Sekwencje kodujące mogą również ulegać zmianom zmieniającym sens
transkryptów!!!
" Proces redagowania mRNA,  editing (dodatkowe ramki odczytu powstałe w wyniku
insercji lub modyfikacji zasad w DNA  geny milczące)
26) Przykład redagowania transkryptów genów jądrowych:
" Gen kodujący apolipoproteine B u ssaków, gen koduje 2 polipetydy
Dłuższy 512 kDa występuje w wątrobie
Krótszy wielkości 242kDa w jelicie
27) Bardzo rozbudowany system redagowania transkryptów genów mitochondrialnych u
pierwotniaków Trypanosoma i Leishmania
28) Regulacja przez wybór miejsca terminacji transkrypcji:
" Przed rozpoczęciem składania dodawana jest  czapeczka (7-metyloguanozyna) na
końcu 5 oraz ogon poliA na końcu 3
" Niektóre geny mające wiecej niż jedno miejsce poliadenylacji, wybór miejsca może
determinować rodzaj powstającego tran skryptu (np. geny kodujące cieżki łańcuch
immunoglobuliny:
Przeciwciało rozpuszalne
Przeciwciało związane z błoną)
29) Regulacja eksportu RNA do cytoplazmy:
" Dla niektórych genów nieposiadających intronów warunkiem prawidłowe eksportu z
jądra jest interakcja z kompleksem przeprowadzającym poliadenylacje 3 końca lub
sarna i odpowiednimi enzymami
30) Regulacja stabilności mRNA:
" W zależności jak długo dany mRNA może być matrycą dla syntezy białek tak długo
utrzyma się efekt  włączenia danego genu.
" Okres połtrwania mRNA od kilku minut do kilmku dni
" Na stabilność mRNA ma wpływ
Duża ilość sekwencji AU na końcu 3
Obecnośc białek będących produktami translacji mRNA (np. mRNA
beta-tubuliny ulega degradacji obecności beta-tubuliny)
Oddziaływanie z cytoszkieletam
31) DNA p16 Homo sapiens  bardzo długie
mRNA p16 Homo sapiens  srednio długie
białko p16 Homo sapiens - krótkie
32) Translacja  biosynteza białek
" Informacja zaszyfrowana w łańcuchu mRNA jet tłumaczona na sekwencje
aminokwasów w białku
" AUG (metionina)  sygnał rozpoczęcia syntezy
" UAG, UUA, UGA (amber, ochre, opal)  sygnały germinacji
" Nie wszystkie białka zawierają na początku metionine !!!!
33) Regulacja translacji:
" U Eukariota regulacja odbywa się poprzez działanie białek wpływających na translację
Czynnik elf  2
Czynnik elf  4E
Degradacja białek  białko ubikwityna
34) Modyfikacje potranslacyjne:
" Prowadzą do zmiany aktywności wielu białek
" Hydroksylacja; glikacja białek; fosforylacja grup -OH SER, TREO, TYR; usuniecie N-
końca formylo-metioniny
35) Białka towarzyszące  cha perony:
Białka opiekuńcze
Komórkowe przyzwoitki
Wiążąc się z innymi białkami kierują je do odpowiedniej przemiany, jak:
Pofaldowanie łańczucha
Oligomeryzacja
Transport do innego przedziału komórkowego
Degradacja
36)chaperony:
" ATP-azami
" Kompleks ATP-chaperon  powinowactwo do peptydów niefałdowanych
" Przeciwdziałają agregacji białek charakterystycznej dla takich schorzeń jak choroba
Alzheimera, Creutzfeida-Jacoba
37) Unc-45:
" Prawidowe składanie białek towarzyszących ; miesnie szkieletowe a także miesien
sercowy
38) Wiele z białek towarzyszących należy do tzw. Grupy białek szoku cieplnego (NSP)
39) Białka szoku cieplnego:
" Produkowane w wyniku odpowiedzi na:
Nieznacznie podwyższoną temperature
Infekcję wirusową
Stres oksydacyjny
Zatrucie metalami ciężkimi
Zatrucie alkoholami
Inhibitory przemian energetycznych
" Zwiększają szanse przeżycia komórki w warunkach szoku
" W warunkach niestresowych biora udział w regulacji podstawowych funkcji
życiowych komórki (housekeeping)
" Uczestniczą w odpowiedzi układu odpornościowego wymierzonej naprzeciw
nowotworom i patogenom
40) HSP60  struktura otwartej klatki
41) HSP100:
" Tworzy wielopodjednostkową obręcz
" Zajmuje się rozwijaniem białek
42) HSP70:
" Pomaga nowym łańcuchom aminokwasowym w przyjmowaniu dojrzałej konformacji
" Ułatwia zgromadzenie składników kompleksów białkowych , chroni białka przed
uszkodzeniem wysokich temperaturach
" Indukuje odporność przeciwrakową
" Odgrywa rolę w rozpoznawaniu komórek nowotworowych i zakażonych wirusem
" Szczepionka zawierająca kompleks HSP  peptyd stymulujący układ odpornościowy
do ataku na komórki zawierające określone antygeny związane z nowotworem :
Czerniak, rak nerki
Choroby zakaz
ne: opryszczka narządów płciowych, gruz
lica
" Stymulujący wpływ na proces transformacji nowotworowej i proliferacji nowotworu
" Wysoki poziom ekspresji w niektórych nowotworach(rak piersi)  niekorzystne rokowanie
43) Prof. Maciej Żylicz:
" Białka opiekuńcze:
regulują funkcjonowanie wielu podstawowych procesów komórkowych
ochraniają inne białka
dysocjują kompleksy białkowe
niezbędne do działania białka p50
" 1999  nagroda Fundacji na rzecz nauki polskiej
44) Regulacja ekspresji genów:
" Regulacja bezpośrednia przez czynniki importowane do komórki
Czynniki sygnałowe:
Białka(laktoferyna)
Mniejsze molekuły(np. atomy metali lub cząsteczki hormonów
steroidowych)
Czynniki wpływające na różne białka, które wpływają na właściwe
białka regulatorowe
Hormony steroidowe łączą się w cytoplazmie z białkowymi receptorami
steroidów (2 grupy)
Kompleksy wędrują do jądra gdzie łączą się z DNA w rejonach przed
sekwencją kodującą, co powoduje zmiany ekspresji genu
Kompleksy białko-steroid przyczepiaja się do ściśle określonych sekwencji
DNA  elementy odpowiedzi humoralnej HRE
HRE regulują ekspresje składujących genów oraz inne miejsca kontroli
transkrypcji
4 klasy HRE: GRE, BRE, TRE, DRE
Hormony ster. decydują o aktywacji genów regulatorowych przez
receptory h. steroidowych
Hormon indukuje niewielkie zmiany w kinetyce wiązania i
powinowactwie receptora do HRE
Wiązanie hormonu wywołuje zmiane allosteryczną receptora
Receptory jądrowe h. ster.  białka trans regulatorowe transkrypcji
" Regulacja pośrednia poprzez receptory powierzchniowe komórki:
Czynniki sygnałowe zewnątrzkomórkowe łączą się z receptorami
komórkowymi i uaktywniają je
Części wewnątrzkomórkowe receptorów doprowadzają do aktywizacji ściśle
określonego białka poprzez np. jego fosforylacje
Szlaki typu MAP(mitogen activated protein) lub SAP (stress activated protein)
Reagują na wiele sygnałów m. In. Na mitogeny (subst. Stymulujące podziały
komórkowe)
Zasada działania  kaskadowe przekazywanie sygnału
Początkowo sygnał włącza białko na powierzchni komórki, potem
przekazywany jest w dół szlaku sygnałowego(downstream), czasem aż do
białek regulatorowych łączących się z DNA
45) Kwasy nukleinowe obiektem terapeutycznym oraz żrodłem  leków nowej generacji
1. Wpływ na ekspresje genu poprzez oddziaływanie na procesy transkrypcji:
Inhibicja procesu transkrypcji przez peptydy zawierające  palce
cynkowe
Chemioterapeutyki specyficznie oddziałujące na proces transkrypcji
genów
Strategie z zastosowaniem oligonukleotydów tworzących struktury
tripleksu z DNA
2) Strategie z zastosowaniem oligonukleotydów antysensownych
46) interferencja RNA  próba stworzenia  instrumentu , którego od dawna poszukiwali
genetycy kliniczni, którym będzie mozna wyłączać geny powodujące chorobę
47) Introny   śmieciowy DNA  jego część niezbędna do regulacji ekspresji genów (wytwarzają
różne przekaz
niki komórkowe w postaci wyspecjalizowanych form RNA  mikrona; działają jak
przełączniki, które włączają lub wyłączają aktywność genu)