REGULACJA EKSPRESJI GENÓW

Regulacja ekspresji genów

• Istnieje ścisłe powiązanie między aparatem genetycznym komórki a jej stanem czynnościowym

• Produkty kodowane przez różne geny są wytwarzane w ilościach określonych właściwościami strukturalnymi i funkcjonalnymi danej komórki

• Regulacja tego systemu odbywa się przez włączanie i wyłączanie odpowiednich genów

Regulacja ekspresji genów

• Regulacja ekspresji genów dotyczy zarówno organizmów prokariotycznych jak i eukariotycznych

• W pojedynczej komórce eukariotycznej tylko około 15% genów ulega ekspresji; przy czym w różnych typach komórek aktywowane są różne geny

Regulacja ekspresji genów u Prokaryota

U Prokaryota ekspresja genów

regulowana jest na dwóch poziomach:

• TRANSKRYPCJI – przez regulację liczby tworzonych cząsteczek mRNA

• TRANSLACJI – przez regulację liczby kopii polipeptydów powstałych na matrycy konkretnej cząsteczki mRNA

Regulacja przez kontrolę szybkości inicjacji transkrypcji

• REGULACJA WEWNĘTRZNA – dotyczy poziomu transkrypcji jednego genu względem innego w zależności od promotora; jest to inaczej stopień oddziaływania między polimerazą RNA a promotorem

• REGULACJA ZEWNĘTRZNA – poziom transkrypcji regulowany jest przez czynniki zewnętrzne, niezależne od struktury genu

Promotory u Prokaryota

• Geny zawierające promotory słabe, wykazują niski poziom ekspresji – są to głównie geny kodujące produkty potrzebne w niedużych ilościach

• Promotory silne indukują z większą częstością procesy inicjacji trankrypcji – nawet co 2 sekundy

Struktura operonu bakteryjnego

Efektory allosteryczne

• Cząsteczki represorów są białkami allosteryczymi

• Efektory allosteryczne przyłączają się do centrum allosterycznego (inne niż centrum aktywne)

• Efektorami allosterycznymi mogą być aminokwasy, czy też hormony steroidowe

• Wiązania między białkami allosterycznymi i efektorami są słabe, a oddysocjowanie efektora zależy od jego stężenia

Aktywność allosterycznych represorów pod wpływem: A - induktora i B - korepresora

Rodzaje operonów bakteryjnych

• INDUKOWANE (KATABOLICZNE)- produkcja enzymów jeśli substrat obecny w środowisku

• ULEGAJĄCE REPRESJI (ANABOLICZNE)- produkcja enzymów jeśli substancja syntetyzowana nie istnieje w komórce

• PODLEGAJĄCE REGULACJI POZYTYWNEJ – transkrypcja w obecności induktora

• PODLEGAJĄCE REGULACJI NEGATYWNEJ – blokowanie transkrypcji przez wolny represor

Operon lakozowy E. Coli.
Przykład regulacji negatywnej (A) i pozytywnej (B)

Represja kataboliczna

Operon tryptofanowy

Model atenuacji w operonie tryptofanowym

Tranksrypcyjna atenuacja operonu trp

Atenuacja w operonie trp

Mapa operonu arabinozowego

A. Małe stężenie białka C – synteza białka C
B. Małe stężenie kompleksu cAMP-CAP i duża ilość białka C – brak syntezy mRNA
C. Duża ilość arabinozy i kompleksu cAMP-CAP – synteza mRNA enzymów katalizujących arabinozę

Mechanizmy

regulacji

ekspresji

genów u

Eukaryota

Wpływ struktury chromatyny na ekspresję genów

Formy przestrzenne DNA

A – ultrawirowanie

B – mikroskopia elektronowa

C - elektroforeza

Miejsca wrażliwe na DNA-zę

• Miejsca wrażliwe na DNA-zę odpowiadają miejscom aktywnym

• Znajdują się w specjalnej konformacji chromatyny, która czyni je bardziej dostępnymi

• Specyficzna struktura przestrzenna jest najwyższym poziomem regulacji

• Miejsca nadwrażliwe na DNA-zę – nie ma tu nukloesomów i białka wiążące mają tu łatwy dostęp do DNA

Miejsca nadwrażliwe na DNazę wskazują położenie LCR (locus control region) w ludzkim genomie

Metylacja DNA

• Metylacja DNA polega na enzymatycznym przyłączaniu reszt metylowych (-CH₃) do nukleotydów

• Procesowi temu podlegają cytozyny wchodzące w skład dinukleotydu CpG

• Metylacja cytozyn związana jest z obniżeniem aktywności transkrypcyjnej – stanowi sygnał wyłączenia genu

• Jest procesem odwracalnym

• Spełnia istotną rolę w długoterminowej inaktywacji genów (chromosom X, protoonkogeny)

Sekwencja CpG

Czynniki transkrypcyjne

• Są to czynniki kontroli ekspresji genów

• Zdolne są przyłączyć się do DNA do specyficznych sekwencji

• Mogą regulować poziom transkrypcji dodatnio lub ujemnie

• Kodowane są przez geny regulatorowe, które stanowią 5-10 % genomu człowieka

Miejsca przyłączania czynników transkrypcyjnych w komórkach eukariotycznych

Czynniki transkrypcyjne

• Mają budowę modularną i składają się z domen białkowych pełniących określone funkcje:

• DOMENY WIĄŻĄCE DNA

• DOMENY ODPOWIEDZIALNE ZA DIMERYZACJĘ

• DOMENY TRANSAKTYWUJĄCE

Schematyczna budowa aktywatorów transkrypcji

Czynniki transkrypcyjne

• Scharakteryzowano trzy typy domen wiążących na podstawie występujących w nich motywów:

- helisa-zwrot-helisa

- palce cynkowe

- helisa-pętla-helisa

• W domenach odpowiedzialnych za dimeryzację wyróżnia się dwa typy motywów:

- suwak leucynowy

- helisa-pętla-helisa

Struktura helisa–zwrot-helisa

Domena typu helisa-skręt-helisa

Motyw „palca cynkowego”

Palec cynkowy Cys₂His₂

Czynnik transkrypcji Sp1

Motyw „suwaka leucynowego”

Suwak leucynowy

Domena typu helisa-wstęga-helisa

Różne miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych z DNA

Sekwencje wzmacniające (enhancer)

• Wzmagają znacznie poziom transkrypcji genu, z którym są związane

• Mogą występować jako sekwencje wyciszające (silencer) i odpowiadać za ograniczenie transkrypcji

• Ich inwersja nie oznacza utraty wpływu na transkrypcję lecz jej obniżenie

• Utrzymują swe właściwości aktywatora nawet jeśli są przemieszczone o kilka lub kilkaset tysięcy par zasad na nici DNA

Splicing alternatywny

Rożnicowanie transkryptów przez promotory alternatywne – model genu alfa-amylazy (promotory P1 i P2)

Alternatywne składanie

Cztery białka mieliny otrzymane przez alternatywne wycinanie eksonów

Redagowanie RNA

Redagowanie mRNA ludzkiej apolipoproteiny B

Przykłady redagowania RNA u ssaków

Szlak degradacji mRNA zależny od deadenylacji

Regulacja na poziomie translacji - model syntezy białek w retikulocytach kontrolowanej przez hem

Białka szoku cieplnego (HSP)

Białka szoku cieplnego syntetyzowane są

w wyniku działania czynników stresowych tj:

• podwyższona temperatura

• infekcja wirusowa

• czynniki uszkadzające DNA

• analogi aminokwasów

• zmiany pH środowiska

• obecność etanolu

Struktura białka Hsp70

Możliwe sposoby wywierania wpływu na zdarzenia zachodzące wewnątrz komórki przez zewnątrzkomórkowy związek sygnalizujący

Aktywacja genu przez hormon steroidowy

Receptory hormonów steroidowych

Wszystkie receptory hormonów steroidowych posiadają identyczną strukturę na którą składają się:

• Koniec HN₂-terminalny (tzw. domena A-B genu) specyficzny dla receptora, niekonserwatywny

• Domena C – bardzo konserwatywna, składa się z około 65 aminokwasów, domena ta oddziałuje z DNA

• Region niekonserwatywny o zmiennej długości

• Domena E o zmiennej długości – do niej wiąże się hormon

Schemat budowy jądrowych receptorów hormonów steroidowych

Budowa elementu odpowiedzi hormonalnej

Rola komórkowego receptora powierzchniowego w przekazywaniu sygnałów

Przekazywanie sygnału z udziałem białek STAT

ZMIENNOŚĆ I MUTACJE

ZMIENNOŚĆ

Zmienność-występowanie dziedzicznych lub niedziedzicznych różnic:

▪ zmienność wewnątrzosobnicza - pomiędzy komórkami danego organizmu

▪ zmienność osobnicza - pomiędzy osobnikami należącymi do tej samej populacji ,

▪ zmienność grupowa - pomiędzy populacjami .

ZMIENNOŚĆ

• Mutacyjna

- mutacje genowe (tranzycje, transwersje, delecje, insercje, inwersje)

- mutacje chromosomowe:

- strukturalne (inwersje, translokacje, duplikacje,

delecje, izochromosomy, chromosomy koliste)

- liczbowe-aneuploidie (monosomie, nullisomie,

trisomie)

- euploidie (genomowe):

- autopoliploidie (triploidie, tetraploidie, itd.)

- allopoloploidie (amfiploidie)

ZMIENNOŚĆ

• Rekombinacyjna (rekombinacja homologiczna,

rekombinacja zlokalizowana, rekombinacja transpozycyjna)

• Fluktuacyjna (ciągła)

• Alternatywna (skokowa)

• Zmienność fluktuacyjna (ciągła) – daje się określić w jednostkach miary (wzrost, masa ciała, IQ, liczba krwinek, pigmentacja włosów i skóry)

• Zmienność alternatywna (skokowa, nieciągła) – np. układ grupowy Rh

REKOMBINACJE – procesy wymiany fragmentów DNA między chromosomami homologicznymi lub dwuniciowymi

helisami DNA. Rekombinacje nie prowadzą do wytworzenia nowych alleli genów, ale do ciągłego ich przetasowywania i powstawania różnych kombinacji genotypów.

• Zjawisko prowadzące do rekombinacji genetycznej sprzężonych genów polegające na wymianie odpowiadających sobie położeniem odcinków między homologicznymi grupami sprzężeń (chromosomami)

• Zachodzi w wyniku symetrycznych pęknięć i ponownego połączenia się odcinków chromatyd chromosomów homologicznych po ich wzajemnej wymianie w pachytenie i/lub diplotenie mejozy

• Występuje również somatyczny , czyli mitotyczny crossing over , który polega na wymianie siostrzanych chromatyd w obrębie jednego chromosomu. Występuje rzadko i z różną częstością w chromosomach .

• Dotyczy wymiany niehomologicznych, ale specyficznych fragmentów

• Przykładem tego typu rekombinacji jest tworzenie przeciwciał i receptorów limfocytów T

• W komórkach bakteryjnych rekombinacja zlokalizowana zachodzi podczas wbudowywania plazmidów do genomu bakterii.

• Zachodzi podczas wbudowywania transpozonów w nowe miejsce genomu

• Transpozony są to ruchome elementy genomu zawierające geny kodujące transpozazę (enzym o aktywności nukleazy)

• Najprostszym przykładem transpozonów są sekwencje insercyjne (IS)

• W rekombinacji transpozycyjnej wymagane jest istnienie specyficznej sekwencji DNA w miejscu akceptorowym dla IS. Sekwencja ta ulega duplikacji, a IS wbudowywana jest między podwojony fragment.

• Oprócz genów transpozazy transpozon może zawierać inne geny – jest to tzw. transpozon złożony

• Termin „mutacja” wprowadził H. De Vries w 1909r

• Mutacja jest to zmiana dziedziczna powstająca na skutek zmiany genu w jego nowy allel (mutacja genowa), zmiany struktury chromosomu (mutacja chromosomowa), zmiany liczby chromosomów (mutacja liczbowa), bądź zwielokrotnienie haploidalnego zestawu chromosomów (mutacja genomowa)

• każda zmiana sekwencji nukleotydów w obrębie genu , inna od sekwencji genu wyjściowego (powstaje nowy allel genu)

• dotyczy genów kodujących białka strukturalne i enzymatyczne

• Tranzycja – zamiana jednej zasady purynowej na drugą purynową , lub pirymidynowej na inną pirymidynową.

• Traswersja – zamiana zasady purynowej na pirymidynową lub odwrotnie.

• Delecja – wypadnięcie pojedynczej lub większej liczby par nukleotydów z danego genu.

• Insercja – wstawienie pojedynczej lub większej liczby par nukleotydów do danego genu .

• Mutacje nonsensowne i zmiany odczytu prowadzą zwykle do całkowitej utraty aktywności enzymu (przerwanie syntezy).

• Mutacje zmiany sensu prowadzą do syntezy enzymów o zmienionych właściwościach chemicznych i fizycznych .

• Mutacje nieme – nowy kodon jest synonimiczny z kodonem przed mutacją.

• Aberracje chromosomowe strukturalne

• Inwersja – (odwrócenie o 180^o) na skutek pęknięć jednego chromosomu i połączenia wolnych jego końców w odwrotnym kierunku .

¨ paracentryczna obejmuje odcinek chromosomu bez

centromeru

¨ perycentryczna obejmuje fragment z centromerem .

• Translokacja – przemieszczenie się fragmentu chromosomu w inne miejsce tego samego lub innego chromosomu.

¨ T. intrachromosomalna (wewnętrzna) między homologicznymi

chromosomami

¨ T. interchromosomalna (zewnętrzna) między chromosomami

niehomologicznymi

¨ T. wymienna (wzajemna) wzajemna wymiana odcinków między

chromosomami niehomologicznymi, całkowita liczba

chromosomów pozostaje nie zmieniona, a dwa spośród nich mają

nieprawidłowe kształty .

Traspozycja – translokacja polegająca na przeniesieniu odcinka z

jednego chromosomu do drugiego .

• TRANSLOKACJA ROBERTSONOWSKA: 

Łączą się całe lub prawie całe ramiona długie dwóch różnych chromosomów (połączenia centryczne). Miejscem połączenia jest rejon centromeru. Dochodzi do utraty funkcjonalnie nieistotnej części materiału genetycznego ( ramiona krótkie ) .

Translokacja robertsonowska zrównoważona-nie zmienia się ilość materiału genetycznego. Brak objawów fenotypowych.

Translokacja robertsonowska niezrównoważona-ilość materiału genetycznego powiększa się. Fenotypowe ujawnienie choroby

• Duplikacja – podwojenie tych samych odcinków chromosomów (podwojenie kopii genów). Podwojone fragmenty mogą występować jako bezpośrednie powtórzenia (proste powtórzenia tandemowe) lub jako odwrócone względem siebie powtórzenia fragmentów chromosomów.

• Delecja (deficjencja) – utrata odcinka chromosomu.

¨ d. terminalna obejmuje część

dystalną chromosomu

¨ d. interstycjalna obejmuje

fragment środkowy

• Chromosom kolisty – powstaje w wyniku pęknięcia, a następnie połączenia końców chromosomu.

U człowieka chromosomy koliste powstają najczęściej z chromosomów 4 , 13 , 18 pary oraz chromosomu X .

• Izochromosom – powstaje w wyniku nieprawidłowego , poprzecznego podziału centromeru chromosomu metafazowego. Składa się on tylko z połączonych ramion długich lub krótkich. Powstanie izochromosomów powoduje ubytek genów zawartych w utraconych ramionach i podwojenie ich liczby w ramionach , które utworzyły chromosom. Powstają zarówno z autosomów jak i chromosomu X .

• Aberracje liczbowe

• Aneuploidie – powstają w wyniku zwiększenia lub zmniejszenia diploidalnej liczby chromosomów o pojedyncze chromosomy .

Zapis 2n + a lub 2n – a, gdzie n to haploidalna liczba chromosomów , a to liczba chromosomów podlegających zmianom ilościowym .

Powstawanie uniparentalnej disomii (UPD)

- polega na obecności u diploidalnego potomka pary

chromosomów pochodzących tylko od jednego

rodzica .

• Euploidie – zwielokrotnienie całego podstawowego zespołu chromosomów. Zapis 3n, 4n, 5n, itd.

¨ autopoliploidie - garnitur chromosomów jest zwielokrotniony

o ten sam zestaw chromosomów.

Autopoliploidie są u człowieka letalne i prowadzą do poronień.

np. AABB(2n) + AABB(2n) = AAAABBBB(4n)

¨ allopoliploidie (amfiploidie) zwielokrotnienie niehomologicznych

zespołów chromosomów . Powstają najczęściej na skutek

podwojenia liczby chromosomów u mieszańców

międzygatunkowych. Ten typ aberracji nie występuje u

człowieka .

np. AABB(2n) + CCDD(2n) = AABBCCDD(4n)

Mutageny to czynniki indukujące powstawanie mutacji znacznie ponad poziom mutacji spontanicznych.

Mutageny mogą powodować:

• Transformację nowotworową (kancerogeneza)

• Wady rozwojowe (teratogeneza)

• Śmierć komórek (całego organizmu)

Czynniki mutagenne podzielono na:

• Fizyczne (np. UVA, UVB, promieniowanie X)

• Chemiczne (np. niektóre leki, środki konserwujące i inne)

• Biologiczne (wirusy brodawczaka ludzkiego i inne)

• uszkodzenia DNA, przed ich naprawą, są rozpoznawane przez enzymy reparacyjne:

• polimerazy DNA: jądrowe (á, â, ä, ĺ)i polimeraza mitochondrialna (ă)

• ligazy DNA

• glikozylazy DNA

• endonukleazy apurynowe/apirymidynowe (5’-AP i 3’-AP)

• białka pomocnicze

• fotoliazy DNA

• metyotransferaza o⁶-metyloguanina-DNA (MGMT)

• Naprawa DNA może być kompletna i niekompletna

• W przypadku braku możliwości naprawy DNA komórka powinna ulec programowanej śmierci komórki-apoptozie

• Procesy naprawy zachodzą w okresie przedreplikacyjnym, podczas replikacji lub w okresie poreplikacyjnym

• Szybkość naprawy chromatyny aktywnej transkrypcyjnie jest większa niż nieaktywnej chromatyny

- usuwanie błędnie sparowanej zasady

- naprawa przez wycinanie zasad azotowych

- naprawa przez wycinanie nukleotydów

- naprawa rekombinacyjna

- odpowiedź SOS

16