Transcript Посмотреть/Открыть
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.