REGULACJA EKSPRESJI GENÓW EUKARIOTYCZNYCH
1) Etapy regulacji ekspresji genów - przegląd
2) Regulacja bezpośrednia przez czynniki zewnętrzne
3) Regulacja pośrednia poprzez czynniki zewnętrzne
4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 typ kojarzeniowy drożdży
5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów 
powstawanie immunoglobulin
6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów 
powstawanie makronukleusa orzęsków
1) Etapy regulacji ekspresji genów - transkrypcja
A) Efekt chromatyny - zależność intensywności trankrypcji od
regionalnej struktury chromatyny
- Wyciszanie rejonów chromosomów znakowanych przez
modyfikacje zasad (np. przez metylację)
- Wyciszanie rejonów poprzez lncRNA (następny slajd)
- Wyciszanie rejonów poprzez lncRNA (następny slajd)
- Pozycjonowanie nukleosomów (kolejny slajd)
B) Właściwa transkrypcja
- Efekt odsłonięcia DNA przez nadmiarową(?) transkrypcję
- Specyficzna inicjacja transkrypcji zależna od sekwencji
promotora i czynników białkowych (aktywatory i represory)
Przykład modyfikacji chromatyny przez RNA. Długi niekodujący RNA (long
non-coding, lncRNA) jest syntetyzowany przez polimerazę RNA II. A
ączy
się z białkami np. G9a i PcGs, które mogą zagęszczać chromatynę w
bliskiej okolicy (in cis) lub z innymi białkami, np. PRC2, które prowadzą do
zagęszczenia chromatyny w rejonach odległych (in trans). U ssaków
poznano już kilka tysięcy różnych lncRNA.
Nukleosomy są gęsto ułożone (pozycjonowne) w rejonach nie kodujących a
najrzadsze w rejonach promotorowych (by ułatwić inicjacje transkrypcji). W
rejonach kodujących są ułożone w specjalny regularny sposób, tak by ich
uwalnianie i wiązanie było sprawne.
1) Etapy regulacji ekspresji genów  obróbka mRNA
- Dodawanie czapeczki  sposób regulacji spotykany w
dojrzewaniu jaj u zwierząt
- Poliadenylacja  alternatywne miejsca dodawania łańcuchów
poliadenylowych regulują np. kwitnienie u roślin
poliadenylowych regulują np. kwitnienie u roślin
- Alternatywne składanie egzonów - bardzo powszechne
- Degradacja dojrzałego mRNA - np. gdy małe odcinki RNA,
tzw. miRNA, odszukują komplementarne mRNA co przywołuje
białka degradujące RNA(interferencja RNA)
1) Etapy regulacji ekspresji genów  synteza i obróbka białek
- Inicjacja translacji  np. fosforylacja czynnika translacji elF-2
spowalnia tworzenie kompleksów inicjacyjnych
- Alternatywne cięcie polipeptydów  pozwala na modyfikacje
białek w zależności od miejsca syntezy (tkanki)
białek w zależności od miejsca syntezy (tkanki)
- Modyfikowanie chemiczne  np. u białek sygnałowych częsta jest
fosforylacja, u strukturalnych acetylacja
- Selektywna degradacja białek
2) Regulacja bezpośrednia przez czynniki zewnętrzne
Regulacja przez czynniki zewnętrzne odbywa się na dwa sposoby:
Regulacja pośrednia:
czynnik zewnętrzny
Regulacja
zatrzymuje się na
bezpośrednia:
powierzchni i
czynnik wnika
uruchamia czynnik
do komórki
wewnątrzkomórkowy
2) Regulacja bezpośrednia przez czynniki zewnętrzne
Czynnikami sygnałowymi, które wnikają bezpośrednio do komorki mogą być:
- białka (jak np. laktoferyna), mogą wtedy działać jakby same były czynnikami
regulującymi transkrypcję
- mniejszymi molekułami (jak np. atomy metali lub cząsteczki hormonów),
wpływającymi na białka regulatorowe
- czynnikami wpływającymi na białka pośrednie, które potem łączą się z
czynnikami transkrypcyjnymi
2) Regulacja bezpośrednia przez czynniki zewnętrzne
Regulacja przez hormony:
Hormony sterydowe łączą się w
cytoplazmie z białkowymi
receptorami steroidów.
Takie kompleksy wędrują do
jądra gdzie łączą się z DNA w
rejonach przed określoną dla
danego hormonu sekwencją
kodującą, co powoduje zmiany
ekspresji genu.
2) Regulacja bezpośrednia przez czynniki zewnętrzne
Regulacja przez jony:
Ten sam czynnik sygnałowy
może doprowadzić do różnych
skutków, w zależności od
stanu komórki:
stanu komórki:
- u drożdży atom miedzi może
się połączyć z białkiem Mac1 i
(dla pobrania miedzi gdy jej
brakuje)
- z białkiem Ace1 (dla
zmniejszenia toksycznego
efektu miedzi)
3) Regulacja pośrednia poprzez czynniki zewnętrzne
W regulacji pośredniej, czynniki
sygnałowe zewnątrzkomórkowe,
często natury peptydowej, łączą się z
receptorami na powierzchni komórki.
3) Regulacja pośrednia poprzez czynniki zewnętrzne
Połączenie czynnika
sygnałowego z
receptorem na
powierzchni komórki
powierzchni komórki
uaktywnia ściśle określone
białka, bardzo często
poprzez ich fosforylację
dokonaną przez
zaktywizowany receptor.
3) Regulacja pośrednia
poprzez czynniki
zewnętrzne
Przykładem działania takiego
sygnału są szlaki typu MAP
(mitogen activated protein),
Reagują one na wiele sygnały
ze środowiska i sygnały od
innych komórek (podział).
Sygnał jest wielostopniowy.
Receptor mitogenu (fiolet) po
otrzymaniu sygnału fosforyluje
białko Raf, Raf fosforyluje Mek,
Mek forforyluje MK a MK
fosforyluje albo kolejne białko
pośredniczące (Rsk) albo
ostateczne białkowe czynniki
transkrypcyjne (Elk-1, c-Myc i
inne)
3) Regulacja pośrednia
poprzez czynniki
zewnętrzne
Wielostopniowość pomaga w
składaniu i rozdzielaniu
sygnałów.
Szlak Ras jest ważny w
sygnalizacji wzrostu komórki,
jego deregulacja prowadzi do
nowotworu.
nowotworu.
Powierzchniowa kinaza
tyrozynowa może łączyć się z
białkiem GAP lub GNRP co
odpowiednio inaktywuje lub
aktywuje białko Ras.
Ras może poprzez białko Raf
wpłynąć na aktywność szlaku
podziału (MAP) co jest logiczne,
bo wzrost i podział musza być
zsynchronizowane.
4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez
rearanżacje genów
 typ kojarzeniowy drożdży
Drożdże produkują haploidalne
drożdże o określonym typie
kojarzeniowym.
Skojarzenie z haploidem o
przeciwnym typie prowadzi do
odtworzenia diploidalności.
odtworzenia diploidalności.
Gdy komórek o przeciwnym typie
nie ma, haploid może zmienić typ
przy okazji podziału i skojarzyć się
z komórką siostrzaną (która ma typ
nie zmieniony)
4) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 typ kojarzeniowy drożdży
Drożdże posiadają trzy kopie genu (allele) odpowiadające za białko
warunkujące typ kojarzeniowy, jakby trzy kasety, ale tylko jeden z nich jest
w locus o czynnej transkrypcji (środkowy), tak jakby kaseta w odtwarzaczu.
Wymiana kaset dokonuje się poprzez zapętlenie nici DNA i konwersję genu
na drodze rekombinacji homologicznej.
5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 powstawanie immunoglobulin
Immunoglobuliny ssaków (a także
receptory komórek T i białka
zgodności tkankowej MHC) są bardzo
różne w różnych komórkach tego
samego osobnika.
Różnorodność ta powstaje na skutek
rearanżacji, która ma wspólne zasady,
ale różny szczegółowy przebieg w
poszczególnych komórkach.
5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 powstawanie immunoglobulin
Dla łańcuchów lekkich i ciężkich
immunoglobulin istnieją osobne rejony
chromosomowe kodujące wiele segmentów
części zmiennych (V) i po kilka segmentów
części łącznikowych (D i J) oraz stałych (C).
Powyżej przykład takiego rejonu kodującego
łańcuch ciężki na chromosomie 14 człowieka.
5) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 powstawanie immunoglobulin
W dojrzewających limfocytach dochodzi do usunięcia dużych odcinków DNA (różnych
w różnych komórkach) tak, że powstaje tylko jedna kombinacja odcinków VDJ z
dwoma odcinkami C. Alternatywne składanie egzonów doprowadza do wyboru
jednego z tych początkowo dwóch C.
6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 makronukleus orzęsków
Pantofelek ma mikronukleus (MIC) i makronukleus (MAC), w koniugacji
wymieniane są haploidalne MIC, one dają nowe diploidalne MIC, z których
rozwija się nowy MAC, a stary zanika.
W MIC nie ma transkrypcji, ale jest tam komplet informacji genetycznej.
Transkrypcja jest w MAC, gdzie jest tylko część genów ale za to w wielu
kopiach.
6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 makronukleus orzęsków
W czasie rozwoju MIC dochodzi do pocięcia chromosomów połączonego z
syntezą nowych telomerów lub do składania pociętych fragmentów, przy
czym ich kolejność może być zmieniona
W powyższym przykładzie, DNA jest cięte w zakonserwowanych
sekwencjach Cbs a potem z obu stron doczepiane są telomery
6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 makronukleus orzęsków
Przykład genu kodującego białko doczepione do telomerów. Część
sekwencji MIC została utracona, a uzyskane fragmenty maja inną
kolejność po złożeniu w MAC. Tylko gen w MAC ma funkcjonalną
sekwencję. Ocenia się, że podczas dojrzewania MAC w całym
genomie wycięciu i utraceniu ulega około 60000 fragmentów.
6) Trwałe zmiany regulacyjne poprzez rearanżacje genów
 makronukleus orzęsków
Eliminacja DNA z MIC zaczyna się od
dwuniciowych nacięć DNA a jej przebieg
jest prawdopodobnie kierowany głównie
poprzez oddziaływanie DNA ze
specjalnie do tego celu syntetyzowanym
niekodującym RNA.
Rearanżacje i zwielokrotnienie kopii
DNA przy syntezie MAC są
ekstremalnym przykładem trwałych
zmian genomu somatycznego, tłumaczą
je ogromne rozmiary komórek orzęsków.