3. Przykłady regulacji ekspresji genów u Eukaryota
Ekspresja genu (ang. gene expression) jest to proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty, które są białkami lub różnymi formami RNA.
Ogólnie regulacji ekspresji genów daje komórce kontrolę nad wszystkimi struktury i funkcjami, stanowi podstawę różnicowania komórek.
Każdym etap ekspresji genu może być regulowany na poziomie transkrypcji DNA-RNA czy na poziomie potranslacyjnjej modyfikacji białek. Stabilności produktu końcowego genu, czy jest RNA lub białko, przyczynia się również do poziomu ekspresji genu - niestabilny produkt daje słabą ekspresję. Ekspresja genów jest regulowana poprzez zmiany w liczbie i rodzaju oddziaływań między cząsteczkami, które łącznie wpływają na transkrypcję DNA oraz translacje RNA.
Proces ten zachodzi w kilku etapach:
zainicjowanie transkrypcji genu przez czynniki transkrypcyjne
synteza pre-mRNA przez polimerazę RNA
obróbka posttranskrypcyjna, dzięki której powstaje dojrzały mRNA
transport mRNA z jądra komórkowego do cytoplazmy
rozpoznanie mRNA przez rybosom i translacja białka
degradacja mRNA
fałdowanie białka (nabywanie struktury trzeciorzędowej białka)
Oddziaływania między DNA i białkami - domeny wiążące DNA: Palce cynkowe; Helisa-skręt-helisa (H-T-H) - np. homeodomena, domena, HMG, domena PAU; Helisa-pętla-helisa (H-L-H)
przemieszczenie białka do właściwej pozycji (np. błony komórkowej, mitochondrium, etc.) (może poprzedzać poprzedni proces)
funkcjonowanie białka - często najbardziej długotrwały i praktycznie jedyny etap w którym uwidacznia się biologicznie, fenotypowo, informacja genu.
degradacja białka
Ekspresja genu kodującego białka jest możliwa tylko wtedy gdy mRNA przetrwała wystarczająco długo, aby mogło zostać poddane translacji. W typowej komórce cząsteczki RNA są stabilne tylko wtedy gdy zostaną specjalnie ochronione przed degradacją. Degradacja RNA ma szczególne znaczenie w regulacji ekspresji w komórkach eukariotycznych, gdzie mRNA, musi pokonać znaczną odległość zanim ulegnie translacji. RNA w komórkach eukariotycznych jest stabilizowany przez pewne zmiany po transkrypcyjne, w szczególności przez dodanie czapeczki i poliadenylację.
Metylacja DNA jest powszechnym mechanizmem wpływającym na ekspresję genów poprzez wyciszanie i regulację transkrypcji. W komórkach eukariotycznych struktura chromatyny (kontrolowana jest przez histony) reguluje dostęp do DNA ze znaczącym wpływem na ekspresję genów w euchromatynie i obszarów heterochromatyny.
Aktywność czynników transkrypcyjnych jest dodatkowo modulowane poprzez wewnątrzkomórkowe sygnały powodujące potranslacyjną modyfikację białek: w tym fosforylację, acylację lub glikozylację. Te zmiany wpływają na: zdolność do wiązania czynników transkrypcji (bezpośrednio lub pośrednio) do promotora znajdującego się na DNA, przyłączanie polimerazy RNA czy wydłużenie nowo syntezowanej cząsteczki RNA.
Po zakończeniu syntezy białek poziom ekspresji tego białka może być zmniejszony poprzez jego degradację. Istnieje główny szlak degradacji białek w komórkach wszystkich prokariontów i eukariontów, w którym proteosom jest wspólnym elementem. Niepotrzebne lub uszkodzone białka są często znakowane do degradacji poprzez dodanie ubikwityny.
Pierwszym poziomem regulacji ekspresji genu u Eucaryota jest struktura chromatyny. Ścisłe upakowanie DNA, występujące w heterochromatynie uniemożliwia zajście transkrypcji, ponieważ enzymy katalizujące ten proces nie mogą przyłączyć się do DNA. Tak wiec ten fragment DNA, który ma ulegać transkrypcji, musi przyjąć mniej zespiralizowaną strukturę przestrzenną, heterochromatyna ulega dekondensacji i przechodzi w luźniej "upakowaną" euchromatynę.
Rozluźnienie struktury chromatyny jest niezbędne, by zaszła transkrypcja. Proces ten jest wywoływany przez specjalne czynniki indukujące. Luźniejsze upakowanie DNA w euchromatynie umożliwia przyłączenie się polimerazy RNA, enzymu katalizującego transkrypcję. Taki sposób regulacji ekspresji genu występuje wyłącznie u Eucaryota, tylko u nich występują nukleosomy, organizujące DNA w strukturę wyższego rzędu - chromatynę.
Transkrypcja jest drugim poziomem regulacji ekspresji genu u Eucaryota. Promotory eukariotyczne są, podobnie jak u Procaryota, miejscem wiązania polimerazy RNA. Promotory eukariotyczne są pod kontrolą czynników regulacyjnych, mogących działać jako represory lub aktywatory transkrypcji. Wydaje się, że rola aktywatorów transkrypcji jest u Eucaryota bardzo duża.
Aktywatory transkrypcji działające w rejonie promotora.
W promotorach eukariotycznych poza sekwencją rozpoznawaną przez polimerazę RNA występują sekwencje, do których przyczepiają się białka zwiększające szybkość transkrypcji. Białka te powodują wzrost powinowactwa polimerazy do promotora.
Dzięki takiej budowie promotorów w komórce eukariotycznej transkrypcja różnych genów zachodzi z różną intensywnością - te geny, których promotory mają kilka sekwencji przyłączających "przyspieszacze" są transkrybowane najszybciej. Należy pamiętać, że komórka eukariotyczna zawiera mnóstwo białek, niektóre z nich są potrzebne w małych, inne w olbrzymich stężeniach, taka konstrukcja promotorów pozwala zakodować na poziomie DNA, orientacyjną ilość danego białka w komórce. Te białka, których ma być najwięcej będą miały "najszybsze promotory".
DNA eukariontów zawiera również sekwencje przyspieszające przebieg transkrypcji, położone w znacznych odległościach - tysięcy par zasad od promotora! Do tzw. sekwencji wzmacniających (ang. enhancer sequences) przyłączają się czynniki regulacyjne, aktywujące transkrypcję. Aktywacja na taką odległość jest możliwa dzięki temu, że DNA wygina się w pętlę, umożliwiając kontakt czynników przyspieszających transkrypcję z enzymami katalizującymi ten proces.
Sekwencje wzmacniające znajdują się w genomach niektórych wirusów, pasożytujących w komórkach eukariotycznych (np. w genomach wirusów onkogennych, przyczyniających się do rozwoju nowotworów). Łatwo sobie wyobrazić jakie zamieszanie może wywołać w komórce wbudowanie się takiego wirusa do genomu. Uśpione geny, mogą zostać włączone, często doprowadzając do opłakanych skutków - kiedy np. w komórce nerwowej pojawią się nagle geny charakterystyczne dla komórki skóry.
Odpowiedni poziom transkrypcji u Eucaryota jest czasami zapewniony przez istnienie wielu kopii danego genu. Dzieje się tak w wypadku genów, których produkty są potrzebne komórce w bardzo dużej ilości, np.: genów kodujących białka histonowe, wiążące się z DNA i tworzące nukleosomy, lub genów dla rRNA, czyli rybosomalnego RNA. W komórkach człowieka geny kodujące rRNA występują w postaci 200 - 300 powtórzonych kopii.
Trzecim poziomem regulacji ekspresji genu u Eucaryota jest obróbka pre-mRNA. Ten etap nie występuje u organizmów prokariotycznych, w ich komórkach podczas transkrypcji powstaje od razu mRNA.
Przykładem regulacji na tym etapie jest ekspresja genu kodującego kalcytoninę - hormon polipeptydowy, powodujący obniżenie poziomu wapnia w organizmie. Gen ulega ekspresji w tarczycy i w mózgu oraz w tkance nerwowej. Ta sama sekwencja pre - mRNA zostaje złożona (ulega splicingowi) na dwa różne sposoby, w zależności od czynników regulacyjnych, charakterystycznych dla typu tkanki. Dzięki temu ta sama informacja pozwala zakodować dwa różne białka - w tarczycy powstaje kalcytonina, zaś w tkance nerwowej przekaźnik nerwowy, czyli związek chemiczny przenoszący sygnały w układzie nerwowym.
Stabilność cząsteczki mRNA , a więc czas w jakim będzie ona matrycą do syntezy białka i, co za tym idzie, ilość wyprodukowanego białka, mogą podlegać kontroli. Tego typu kontrola również nie występuje u organizmów prokariotycznych, gdzie tranlacja zaczyna się jeszcze podczas trwania transkrypcji.
Przykładem regulacji tego typu jest synteza witelogeniny, białka produkowanego w wątrobie samic niektórych zwierząt, np. kur i żab, a wykorzystywanego w jajowodzie do budowy żółtka jaja. Stabilność mRNA dla witelogeniny jest kontrolowana przez hormony, estrogeny. Okres półtrwania mRNA dla witelogeniny w wątrobie wynosi, przy dużym stężeniu estrogenów 500 godzin, by przy małym stężeniu tych hormonów spaść poniżej 16 godzin.
Prawdopodobnie w podobny sposób mogą być stabilizowane niektóre transkrypty (czyli mRNA) w komórkach jajowych, tak aby po zapłodnieniu nadążyć z syntezą potrzebnych białek.
Po translacji wiele białek eukariotycznych zostaje poddanych obróbce. Aktywne formy białka powstają często dopiero po rozcięciu prekursora na fragmenty ( proteoliza)lub po chemicznych modyfikacjach.
Komórka eukariotyczna musi zająć się białkami, które już wypełniły swą funkcję i nie są potrzebne, takie białka są degradowane enzymatycznie. W komórkach prokariotycznych nie ma najczęściej problemu z likwidacją białek, szybkie podziały komórkowe doprowadzają do rozcieńczenia białek, których synteza ustała, tak więc zbędne białka występują w niewielkich, nieszkodliwych stężeniach.