WYKŁAD IX

0. Regulacja ekspresji genów

u Eukariota

Poziomy regulacji ekspresji genów

0. Od genu do białka

1. Każdy z procesów może być regulowany

2. Najważniejsze w regulacji genów to:

3. dostępność DNA

4. transkrypcja,

5. stabilność RNA,

6. translacja

7. stabilność białka

Dostępność DNA

0. ogranicza struktura nukleosomowa chromatyny

1. -euchromatyna i heterochromatyna – obszary o rozluźnionej lub skondensowanej strukturze

metylacja DNA

0. bardzo istotne zjawisko kontrolujące dostępność do DNA
   
   
   

1. Polega na przyłączenia grup metylowych (CH3) do niektórych nukleotydów (głównie nukleotydów cytozynowych).

2. Przyłączenie grupy metylowej do cytozyny

-nie zmienia właściwości fizycznych DNA

metylacja DNA

0. -zmienia wzór grup chemicznych w dużej bruździe – niektóre czynniki transkrypcyjne nie mogą się wiązać do swojej sekwencji w DNA

1. -białka rozpoznające metylowany DNA

wiążą się i aktywują inne białka, które zamykają chromatynę w danym obszarze - wyłączenie ekspresji genów

Metylacja DNA

0. Zwiększenie stopnia metylacji części regulatorowej genu może prowadzić do wyłączenia ekspresji tego genu.

1. Zaburzenia metylacji DNA mogą prowadzić do transformacji nowotworowej komórki, (np. w wyniku wyłączenia ekspresji niektórych genów supresorowych nowotworów).

Prowadzone w ciągu ostatnich lata badania wykazały, że zachodzący w komórce proces ekspresji genów regulowany jest w inny sposób, niż to się wcześniej wydawało.

0. Dotychczas panował pogląd, że o wszystkich procesach zachodzących w komórce decydują białka, powstające w oparciu o informację zakodowaną w DNA.

1. Okazało się, że niezwykle istotną rolę w regulacji ekspresji genów odgrywa również RNA.
   
   
   
   

- Mechanizm regulacji genów – potranskrypcyjne wyciszanie genu

0. Decydującą rolę w tym procesie odgrywają cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA - double-stranded RNA) cięte na małe odcinki (siRNA-small interfering RNA) przez enzymy zwane "tasakami„ (dicer).

1. Cząsteczki siRNA są komplementarne do pewnych odcinków komórkowego DNA.

0. siRNA wycisza gen przyłączając się do mRNA, który ulega degradacji.

Dwuniciowe siRNA mają strukturę "spinki do włosów" - dwie komplementarne (sensowna i antysensowna) sekwencje połączone są pętlą.

0. Następnie siRNA zbierają się w kompleksy z komponentami białkowymi tworząc indukowany przez RNA kompleks wyciszający - RISC (RNA-induced silencing complex).
   
   
   

1. Jedno z białek tego kompleksu

kieruje siRNA do docelowego mRNA,

0. gdzie aktywne RISC wiążą się do komplementarnego transkryptu dzięki interakcjom między nukleotydami siRNA a mRNA.
   
   
   
   

RNA kompleks wyciszający - RISC (RNA-induced silencing complex)

0. Następnie dochodzi do degradacji mRNA w regionie komplementarnym do nici siRNA;

1. Następuje rozpad mRNA, a tym samym wyciszenie genu.
   
   
   

2. Ten mechanizm wyciszania genów nazywa się interferencją zależną od RNA - RNAi (ang. RNA interference).

Mechanizm RNAi

Opisany mechanizm występuje powszechnie w naturze - jest używany do kontrolowania produkcji białek przez wszystkie organizmy żywe.

0. Proces ten jest odwracalny i w razie potrzeby dany gen może zostać odblokowany.

0. Mniej złożone organizmy używają go do obrony przed infekcjami wirusowymi

1. i tak zwanymi skaczącymi genami, czyli fragmentami DNA, które mogą przemieszczać się z miejsca na miejsce i jeżeli znajdą się w nieodpowiednim punkcie – upośledzają metabolizm.

Nobel za wyłączanie pojedynczych genów

0. Genetycy Andrew Fire i Craig Mello zostali laureatami (2006) Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny za odkrycie "fundamentalnego mechanizmu kontrolowania przepływu informacji genetycznej„.

1. Naukowcy ci po raz pierwszy na świecie opisali metodę wyciszania ekspresji genu. Autorzy udowodnili, że do wyciszenia genu należy użyć dwuniciowego RNA, a nie pojedynczej nici.
   
   
   

0. Ich praca będzie miała zastosowanie w walce z nowotworami, infekcjami wirusowymi, chorobami serca. Pomoże też dokładnie zbadać funkcję każdego genu.

0. „Geny w DNA kodują białka, dzięki którym funkcjonuje żywy organizm. Zanim jednak powstanie białko, informacja zostaje przepisana z DNA na RNA. Wędruje on do miejsca w komórce, w którym produkuje się białko - czyli do rybosomów. Fire i Mello wymyślili, jak tej wędrówce RNA przeszkodzić i w ten sposób nie dopuścić do wytworzenia białka zapisanego w genie”.

Eksperymentalne potranskrypcyjne wyciszanie genu

0. Do wyciszenia ekspresji danego genu używany jest dwuniciowy fragment RNA (dłuższy niż 200 nukleotydów).

1. Taki fragment RNA wprowadzany jest do komórki, gdzie cięty jest przez enzym Dicer (tasak), na fragmenty o długości 21-23 nukleotydów – siRNA.

2. Cząsteczki te mają właściwości specyficznego naprowadzania białek w kierunku degradacji mRNA.
   
   
   

0. Prace tegorocznych noblistów bardzo szybko doczekały się międzynarodowego uznania. Prestiżowy tygodnik "Science" w 2002 r. uznał interferencję RNA za technologię roku. Kilka miesięcy później "Fortune" pisał, że wyciszanie genów to odkrycie warte miliardy dolarów.
   
   
   
   
   

0. Nagrodzeni naukowcy dowiedli, że ten naturalny proces można wywołać w sposób sztuczny i uzbroić lekarzy i genetyków w kolejne potężne narzędzie.

Wyciszanie genów od dawna stosowane jest w laboratoriach zajmujących się badaniem funkcji poszczególnych genów.

0. Dopiero niedawno zaczęto wykorzystywać siRNA w leczeniu licznych chorób mających podłoże genetyczne.

1. Wyniki pierwszych badań przeprowadzonych na myszach są bardzo obiecujące.

0. Udało się, przy pomocy odpowiednio przygotowanego siRNA, wyciszyć gen kodujący apolipoproteinę B (jej nadmiar przyczynia się do powstania zbyt dużej ilości cholesterolu).
   
   
   

0. Odkrywając interferencję RNA u roślin i zwierząt, w tym również człowieka, dotarto do uniwersalnego systemu komórkowych zabezpieczeń przed wirusami czy obcym DNA.

1. Dzięki temu i coraz większej biegłości w inżynierii genetycznej będzie można w ciągu kilku godzin zablokować dowolny gen.

2. Być może w końcu uda się trafić na ten krytyczny dla wzrostu komórek rakowych, nieistotny jednocześnie dla rozwoju komórek zdrowych.

Regulacja funkcji genów na poziomie transkrypcji poprzez geny homeotyczne:

0. GENY HOMEOTYCZNE – zawierają homeobox (homeoblok), czyli sekwencję 180pz kodującą białko składające się z 60 aminokwasów i stanowi ono domenę wiążącą się z DNA

1. Białka te mogą wiązać konkretne geny i w ten sposób regulują ich aktywność transkrypcyjną,

2. białka homeodomenowe mogą również regulować translację poprzez wiązanie się z mRNA

Geny homeotyczne
są to geny mające związek z rozwojem zarodkowym,

0. prawdopodobnie one nadają strukturę przestrzenną różnym tkankom w poszczególnych częściach rozwijającego się organizmu.

1. Geny te wykryto po raz pierwszy u Drosophila

0. Geny zawierające homeoboxy występują także u kręgowców;

1. U ludzi i u myszy są cztery zgrupowania takich genów.

2. Kolejność ułożenia tych genów na chromosomie odpowiada kolejności regionów zarodka i kolejności w której te geny ulegają ekspresji.

Regulacja ekspresji genów

0. Poprzez sekwencje wzmacniające i wyciszające transkrypcję,

1. enhacery

2. i silencery,

3. które znajdują się w dużej odległości od promotora- do kilku tys pz

Jest też możliwa ingerencja na późniejszym etapie
Regulacja ekspresji genów na poziomie translacji

0. - represja translacji przez kompleks zwany miRNP (micro RNA-NucleoProtein).

1. -produkty translacji działają na zasadzie sprzężenia zwrotnego

A więc regulacja translacji może odbywać się przez same jej produkty,

0. najczęściej wysokie ich stężenie działa hamująco,

1. np. synteza hemoglobiny, tzn. cząstek globin zalezy od stężenia hemu.

0. Synteza globiny jest ograniczona syntezą hemu,

1. a synteza hemu obecnością jego składowych,

2. np. brak Fe hamuje syntezę hemu a niskie jego stężenie hamuje syntezę globin.

3. Przy nedoborze hemu pojawia się białkowy inhibitor blokujący etap inicjacji translacji globiny (inhibitorem jest kinaza białkowa).