РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕСИИ ГЕНОВ

http://lens.auckland.ac.nz

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1) 2) 3) 4) 5) 6) Регуляция на уровни транскрипции у прокариот Этапы процессинга РНК у эукариот Энхансеры, сайленсеры и инсуляторы РНК интерференция Упаковка генетического материала эукариот Роль эпигенетических модификаций. Гистоновый код.

Регуляция на уровне транскрипции

Lac

оперон

E.coli

Франсуа Жакоб, Жак Моно, Андре Львов Нобелевская премия по физиологии и медицине 1965 г.

Метаболизм лактозы в клетке

E.coli

http://www.flickr.com

, Allen Gathman

LacZ: β - галактозидаза

расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу.

LacY: β- галактозидпермеаза

переносит лактозу через мембрану клетки.

Lac A: тиогалактозидтрансацетилаза

ацетилирует галактозу.

Схема негативной индукции

Негативная индукция

А) Отсутствие лактозы - lac-оперон выключен . Активный белок – репрессор (кодируется моноцистронным опероном LacI, не имеющем оператора) связан с оператором lac-оперона. Т.к. оператор перекрывается с промотором, даже посадка РНК-полимеразы на промотор невозможна.

Б) Когда некоторое количество лактозы попадает в клетку, две молекулы лактозы взаимодействуют с белком репрессором, он изменяет конформацию и теряет сродство к оператору.

Начинается транскрипция свободного от лактозы, lac оперона и трансляция образующейся mРНК; три синтезируемых белка участвуют в утилизации лактозы.

С) Когда вся лактоза используется, порция репрессора, выключает lac оперон.

Позитивная индукция

Brown, W., Ralston, A. & Shaw, K. (2008) Positive transcription control: The glucose effect. Nature Education 1(1) Аra-опероне E. сoli

три цистрона, кодирующие ферменты, расщепляющие арабинозу. В норме оперон закрыт , т.к. белок репрессор связан с оператором.

Brown, W., Ralston, A. & Shaw, K. (2008) Positive transcription control: The glucose effect. Nature Education 1(1) При попадании клетку арабинозы белком , она взаимодействует с репрессором . Белок - репрессор меняет конформацию и превращается в активатор , который взаимодейсивует с промотором и облегчает посадку РНК полимеразы .

Схема позитивной репрессии

Риюофлавиновый оперон у

Вacilus subtilis

содержит цистроны ферментов синтеза рибофлавина. Белок-активатор обеспечивает посадку РНК полимеразы на промотор. В норме оперон открыт рибофлавина.

. Образуется N молекул Рибофлавин, витамин В2 www.cellbiol.ru

N+1 ая молекула (лишняя) взаимодействует с активатором и он теряет способность активировать посадку РНК-полимеразы на промотор. Позитивная репрессия : в регуляции участвует белок регуляция заключается в выключении транскрипции. активатор , а

Схема негативной репрессии

В опероне синтеза триптофана цистронов, кодируюших ферменты реакций синтеза триптофана. В норме включен . Белок - репрессор

E. сoli

оперон пять неактивен (в форме апо-репрессора).

Клетке необходимо N молекул триптофана. N+1 ая молекула взаимодействует с апо репрессором. Он меняет конформацию, садится на оператор и синтез РНК прекращается.

www.cellbiol.ru

Процессинг РНК у эукариот

Комплекс процессов образования зрелых молекул РНК в клетке • Кэпирование • Сплайсинг • Полиаденилирование • Редактирование http://www.web-books.com

Кэпирование

Присоединение к 5’-концу пре-мРНК 7’-метил ГТФ : • защищает от 5’-экзонуклеаз • правильная установка РНК на рибосоме при взаимодействии белков с кэпом http://www.web-books.com

Полиаденилирование

После синтеза про-mРНК на расстоянии примерно 20 н в направлении 3' конца от последовательности 5'-AAУAA-3' происходит разрезание эндонуклеазой и к новому 3'-концу присоединяется от 30 до 300 остатков АМФ (безматричный синтез). ПолиА хвост защищает 3'-конец от гидролиза, т.к. покрыт полиА связывающими белками. Время жизни mРНК зависит от длины полиА-хвоста. Полиаденилированные про-mРНК подвергаются сплайсингу мРНК гистоновых генов и ряда других не полиаденилируется. http://www.web-books.com

СПЛАЙСИНГ

Большинство генов эукариот состоят из экзонов и интронов . В процессе сплайсинга интроны вырезаются, а экзоны сшиваются, образуя зрелую РНК.

www.mpibpc.mpg.de

Сплайсосомы

Сплайсосомы

комплексы, содержащие пять малых ядерных рибонуклеопротеинов (мя РНП). Интроны содержат последовательности, необходимые для вырезания - 3'-сайт (акцепторный), 5'-сайт (донорный) и бранч-сайт. РНК в snRNA взаимодействует с этими сайтами, способствуя вырезанию интронов .

Транссплайсинг •

Транссплайсинг

вид сплайсинга, при котором происходит соединение РНК разных транскриптов.

http://mol-biol4masters.masters.grkraj.org

Альтернативный сплайсинг

• Процесс, в котором из одной пре-матричной РНК могут образовываться различные зрелые транскрипты, благодаря включению разных экзонов. http://en.wikipedia.org

Альтернативный сплайсинг показан для 95 % мультиэкзонных генов человека

Малые ядерные РНК

Малые ядерные РНК ( snRNA) . Класс малых молекул РНК длиной около150н, локализованных в ядре эукариот. Принимают участие во всех этапах процессинга РНК (входят в состав сплайсосом), а также в регуляции транскрипции и поддержании теломер.

Вторичная структура U1 snRNA – инициатора сплайсосомной активности

Автосплайсинг • вид сплайсинга, когда интроны кодируют рибозимы - РНК с каталитической активностью, выполняющие роль сплайсосомы

Автосплайсинг открыт Томасом Чеком (США) в 1982 году. Работал с инфузорией

Tetrаchymenа thermophyla

Томас Чек Нобелевская премия по химии 1989 г.

Автосплайсинг

chemistry.umeche.maine.edu

Другие особенности регуляции транскрипции у эукариот

Но в разных клетках могут эксперссироваться разные гены, хотя набор генов в ядре идентичен.

«Гены домашнего хозяйства» ( белков и т.п.

housekeeping genes) функционирующие повсеместно и на всех стадиях жизненного цикла организма. Обеспечивают процесс гликолиза, биосинтез аминокислот и нуклеотидов, катаболизм «Гены роскоши» ( luxury genes ) экспрессируются лишь в специализированных клетках и являются маркерами дифференцированных состояний.

• Регуляторных белков и регуляторных участков ДНК намного больше, чем у прокариот • Регуляторная часть гена намного протяженнее – и часто длиннее, чем сам ген.

Модель регуляции транскрипции РНК полимеразы II эукариот http://biology.kenyon.edu

Энхансеры и сайленсеры

Энхансеры Энхансеры участки ДНК вне промотора. Связываются с различными факторами транскрипции и усиливают транскрипцию определенных генов.

могут располагаться на расстоянии до 10 тпн от промотора, а также после него.

• Сайленсеры регуляторные элементы ДНК, ингибирующие транскрипцию с использованием белков-репрессоров. При этом происходит прямое подавление инициации транскрипции путем разрушения транскрипционного комплекса на промоторе

Инсуляторы

• последовательности нуклеотидов длиной в несколько сотен пн, подавляющие влияние энхансеров и сайленсеров на промотор.

Инсуляторы

www.cellbiol.ru

Также инсулятор выполняет функцию барьера для распространяющегося конденсированного хроматина

Интерференция РНК (RNAi)

• механизм ингибирования экспрессии гена молекулами РНК на стадии трансляции, либо нарушение транкскрипции специфических генов. • Малые интерферирующие РНК (siRNA) (около 20 нуклеотидов) — ключевые молекулы для процесса RNAi, комплементарные мишеням РНК. Специфические белки системы RNAi направляются при помощи siRNA к целевым молекулам мРНК, и последние при этом разрезаются на части.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov

Механизм RNAi

1) Фермент Dicer разрезает двуцепочечную РНК. 2) Образованные при этом siРНК или microРНК попадают в RNA-induced silencing complex (RISC) 3) RISC разрушает мРНК и предотвращает трансляцию

Интерференция РНК (RNAi)

РНК-интерференция обнаружена почти во всех эукариотах. Этот механизм предохраняет клетки от РНК-вирусов и мобильных генетических элементов. • В 2006 году Эндрю Файер и Крейг Мелло получили открытие РНК интерференции Эндрю Файер Крейг Мелло

Эпигенетическая модификация генома

• метилирование ДНК и компактизация хроматина 50 90% ГЦ островков метилировано у млекопитающих Предотвращается связывание транскрипционных факторов Обеспечивают посадку особых белков, компактизующих хроматин

Компактизация ДНК у эукариот

http://micro.magnet.fsu.edu

Длина ДНК составляет около 2 м, диаметр 2 нм Нуклеосомная нить в 6-7 раз короче, диаметр нуклеосомы – 11 нм.

Компактизация нуклеосом – образование фибриллы 30 нм. Диаметр ядра ~10-20 мкм

ГИСТОНЫ

• основной класс нуклеопротеинов, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК. Всего пять различных типов гистонов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Последовательность аминокислот в этих белках очень консервативна – т.е. мало отличается в разных организмах Рисунок Spellcheck Рисунок Richard Wheeler (Zephyris)

Гистоновый код

набор модификаций гистоновых “хвостов”, который определяет функциональное состояние гена. Гистоновый код управляет включением и выключением генов! Модификации передаются при делении клетки, т.е. наследуются.

Литература