Transcript lp 2…
GENA Genomul uman este constituit din 3,5 miliarde de perechi de nucleotide (numite şi perechi de baze sau pb). Genele reprezintă 3-5% din acest ansamblu. Restul de ADN este constitut din -secvenţele de reglare a expresiei genei, -secvenţe repetitive şi -secvenţe cu funcţii necunoscute. • Varianta nepatologică a genomului este polimorfismul • La om, între 2 indivizi există mici variante de secvenţe estimate între 1 şi 2% considerate ca nepatogene şi numite gene de polimorfism (exp. de polimorfism, culoarea ochilor: bleo, maron, verde). • Polimorfisumul, este dat de secvenţe scurte, repetate, a unui număr mai mic sau mai mare de perechi de baze care pot varia pe fiecare din cei 2 cromozomi. • După numărul de variaţii ale secvenţelor se disting după talia lor: • - secvenţe repetate simple sau STRs (short tandem reapeats)– acestea sunt 2, 3, 4 şi 5 nucleotide de exp • numărul lor este estimat între 50000 şi 100000 copii în genom; • - secvenţe repetate în tandem în număr variabil sau VNTRs (variabile number of tandem repeats) din care : • - secvenţe scurte repetate la mai puţin de 500 pb -SINEs (short interopersed repetitive nucleotides elements),. • Ex. secvenţele Alu de 4 kb - 5 kb repartizate în genom la nivelul intronilor. • . • -secvenţe mai lungi de câteva milioane de pb (în jur de 6-7 kb) LINEs (long interpersed repetitive nucleotides elements); • - ADN satelit α şi β. • Sateliţii α prezenţi la nivelul centromerilor sunt secvenţe repetate în tandem de 171 pb constituie între 1-3% din cromozomi. • Sateliţii β sunt secvenţe repetate în tandem de 68 pb situate în cromatina cromozomilor acrocentrici şi a cromozomului 9. • Structura genei • În secvenţa genei se disting : • -secvenţe în amonte –reglatoare care structurează promotorul, • - un situs de iniţiere al transcripţiei, sau „start point” notat cu +1, locul unde este încorporat primul nucleotid de unde începe transcripţia • -o succesiune variabilă de exoni şi introni; exonii traduşi, intronii netraduşi conţinând alte secvenţe reglatoare şi în sfârşit • -ultimul exon. • Ansamblul mecanismelor care conduc la producerea unui ARNm sau a unei proteine sunt desemnate prin termenul de expresia genei. • Promotorul situat în amonte de genă, în poziţia 5', are între 800 şi 1000 pb. El nu este transcris şi tradus, intervine • în iniţierea transcripţiei, • orientarea direcţiei în care aceasta se va derula, • prezintă secvenţe consens pentru situl de fixare a ARN polimerazei şi • a unui capişon pe ARNm indispensabil pentru transducţia sa ulterioară. • În poziţia 3' a aceluiaşi sit de iniţiere (de la 10 la câteva sute de baze mai departe), codonul ATG va semnala sit de iniţiere a transducţiei adică debutul părţii codante a genei. • Apoi urmează o succesiune de secvenţe fie codante şi conservate în ARN (exoni) fie necodante şi eliminate de la transcripţie (introni). • În general intronii nu există la virusuri şi bacterii. Ei sunt prezenţi doar la eucariote. Typical Gene Structure Promoter Coding Region +1 transcription • În poziţia 3' a genei pe ultimul exon, se află unul din cei 3 codoni STOP TAA, care se continuă cu o secvenţă de poliadenilare AAAAA care va semnala oprirea transducţiei la nivelul ribozomilor. • Coada de poliadenilare este situată în aval de codonul STOP, secvenţă care nu va fi transdusă. • Ea reprezintă un sit de recunoaştere pentru secţiunea de ARNm primar şi este indispensabilă pentru stabilitatea ARNm. • Pot exista mai multe situri de poliadenilare corespunzătoare mărimii diferite a ARNm. Ele pot fi specifice ţesuturilor. • Unele gene specifice ţesuturilor conţin 20-30 pb în amonte de situl de iniţiere a transcripţiei, o casetă TATA (5'TATA AA3') pe care se fixează unele complexe proteice. • Există gene care se exprimă în toate ţesuturile (ubicvitare sau gene de menaj) sunt conţinute constant în aceeaşi regiune. • Acestea, conţin secvenţe bogate în GC (5'GGG CGG3') pe care se fixează factori de transcripţie SP1. • Factorii proteici numiţi şi factori de transcripţie interactivă prezintă secvenţe reglatoare care modulează expresia genei. • O genă poate avea mai muţi promotori. Unii promotori pot fi specifici ţesuturilor. • Secvenţa unei gene apoA II • Apolipoproteina apoA este componenta proteică a oricărei lipoproteine, în special a celor plasmatice. • Ea este asociată lipoproteinelor cu densitate mare (HDL) şi realizează stabilizarea acestora. • Ansamblul informaţiei genetice transcrisă este de 3 miliarde de litere (o biblioteca de 7000 cărţi cu 300 pagini fiecare). Secvenţa unei gene (apoA-II). • Expresia unei gene • Expresia unei gene este o succesiune de sinteze chimice şi reacţii care conduc la producerea unei proteine. • În prima etapă are loc sinteza ARN premesager sau ARN precursor (denumit şi ARN heterogen sau Hn-ARN) a cărei secvenţă este complementară catenei antisens a genei deci identică celeilalte catene sens • şi este orientată în acelaşi sens. • După reacţii de maturare a transcriptului primar ARN devine ARNm şi trece din nucleu în citoplasmă. • Ulterior ARNm este citit de un grup de câte 3 nucleotide de la 5 la 3 şi are loc sinteza proteinelor de către ribozomi. • Cuplarea aminoacizilor se realizează de la extremitatea NH2 terminală către extremitatea COOH terminală. Expresia unei gene • TRANSCRIPŢIA • Sinteza ARN utilizând matriţa de ADN este catalizată de ARN polimeraze ADNdependente, care utilizează nucleozid trifosfaţi ca substrat. • Numai un singur lanţ al dublului helix ADN este utilizat ca matriţă. • Întrucât dubla catenă a ADN este conservată, sinteza ARN premesager este descrisă ca fiind conservativă, dar întrucât se produce numai un lanţ polinucleotidic, ea este asimetrică • Catena de ADN utilizată ca model pentru transcripţie este cunoscută sub numele de catenă matriţă sau catenă antisens, în contrast cu cealaltă catenă care este cunoscută ca şi catenă codificatoare sau catenă sens. • Secvenţa de baze a ARN sintetizat va fi identică faţă de catena codificatoare, cu menţiunea că uracilul înlocuieşte timina. • ARN polimerazele sunt enzime multisubunitare mari şi complexe, care au capacitatea de a identifica locul în care este iniţiată sinteza ARN pe matriţa ADN. • Spre deosebire de ADN polimeraze, ARN polimerazele nu au nevoie de amorsă. Cele două catene de ADN se separă la locul de iniţiere a sintezei. • Nucleii celulelor eucariote conţin 3 tipuri distincte de ARNpolimeraze: • -ARN polimeraza I este localizată în nucleoli, unde se găsesc genele ribozomale şi catalizează sinteza precursorilor majorităţii moleculelor de ARNr 18S, 5, 8S, 28S; • -ARN polimeraza II este localizată în nucleoplasmă şi catalizează sinteza precursorilor ARNm şi a unor snARN (ribonucleoproteine mici); • -ARN polimeraza III este localizată în nucleoplasmă şi catalizează sinteza precursorilor moleculelor ARNr, 5S şi o varietate de mici fragmente de ARN nucleari şi citoplasmatici (ARNt, , snARN, 7SL-ARN). • Ultima linie a următoarei imagini este secvenţa primului exon a genei apoproteinei AII. Cele 900 nucleotide care o preced conţin numeroase secvenţe recunoscute de proteine care permit începerea transcripţiei sau reglarea acestei etape. • Porţiunea de ADN care va fi transcrisă se numeşte unitate de transcripţie. Aceasta este delimitată de un promotor, urmat de un punct de iniţiere sau „start point” notat cu +1, locul unde este încorporat primul nucleotid de unde începe transcripţia şi un terminator unde se termină transcripţia (Fig. 19). Secvenţa unui promotor. • Promotorii pentru ARNpolimeraza sunt pe latura 5' a startului (în amonte). • Secvenţa aflată înaintea punctului start, se numeşte din amonte, iar cea de după punctul start, în aval. • Promotorului i se disting următoarele secvenţe: • -secvenţă numită caseta TATA(sau domeniu) , care este recunoscută specific prin proteinele TFIID, cofactor al ARN polimeraza II; • -secvenţe sau casetă CAAT şi GG box, pe care vin să se fixeze alte proteine de transcripţie CTF şi SP1. • Activităţile multor promotori sunt amplificate de către secvenţe de ADN (enhancers) situate la distanţă până la câteva sute de perechi de baze de promotor. • Asemenea amplificatori sunt recunoscuţi de proteine specifice denumite factori de transcripţie care stimulează legarea ARNpolimerazei de un promotor vecin. • Faptul că amplificatorii sunt aşezaţi la distanţă (considerând ADN liniar) faţă de promotorii pe care îi controlează este explicat pe baza împachetării ADN prin care ia naştere o structură terţiară care aduce cele 2 elemente în poziţii apropiate. • Enhancerii. Aceste secvenţe de ADN sunt localizate în 5' sau 3' a unei gene într-un exon sau intron. • Funcţia lor este interdependentă de poziţie şi orientare. • Fiecare enhancer conţine unul sau mai multe situri de fixare pentru un factor de transcripţie. care acţionează sinergic. Această secvenţă stimulează expresia genei. • Silancerii. Această secvenţă diminuă sau inhibă expresia genei. Sunt localizaţi adesea între promotori şi enhanceri, sunt numiţi antienhanceri. • Factori care acţionează în transcripţie. Sunt proteine care acţionează asupra ADN prin activarea sau inhibarea parţială sau totală a receptorilor transcripţiei. • Enzima cheie în transcrierea genelor pentru proteine structurale este ARN polimeraza II. • Promotorii recunoscuţi de această enzimă sunt mult mai mari şi mai diverşi. • Primul nucleotid (situsul start) al secvenţei ADN este notat cu +1, urmat de +2 etc. Nucleotidul dinaintea situsului start este notat cu-1. • Factorii care sunt produşi ai genelor, altele decât cele pe care ei le controlează, sunt denumiţi factori trans-acting sau transactivatori. • Genele individuale sunt transcrise în ARN monocistronici individuali codificând proteine singulare. • Astfel trebuie să existe alte căi de coordonare ale transcripţiei, mai ales că adesea, genele implicate sunt pe cromozomi diferiţi. • În acest fel, producerea unei molecule de anticorp funcţional necesită sinteza de proteine imunoglobulinice cu lanţ greu (H) sau uşor (L). • În timp ce locusul lanţului greu H este pe cromozomul 14 la om, genele lanţului uşor sunt pe cromozomii 2 şi 22. • O situaţie similară există şi în cazul hemoglobinei, unde familia α-globinei este pe cromozomul 16 la om, şi gena β-globinelor pe cromozomul 11. • Antibioticul actinomicina D inhibă transcrierea prin legarea de matriţă, în timp ce rifampicina inhibă transcrierea prin legarea de ARNpolimeraza. • La virusurile cu ADN dublu catenar, transcrierea va avea loc la fel ca în celulele normale, de obicei utilizând ARN polimeraza din nucleul celulei gazdă. • Genele sunt situate pe cele două lanţuri ADN de la stânga la dreapta şi de la dreapta la stânga. Genele apolipoproteinei AI şi AIII sunt vecine. Catenă sens şi antisens. • Factori de transcripţie • De caseta TATA se leagă un complex de proteine cunoscut ca TFIID (factor de transcriere D pentru ARN polimeraza II). • În acest complex numai o proteină, cunoscută ca TPB (TATA binding protein) se leagă direct de ADN, alte proteine ale complexului legânduse prin asociere cu TPB. • Controlul transcrierii prin hormoni • Mulţi hormoni îşi exercită efectele biologice prin legarea la receptori de suprafaţa celulară care activează mesageri secundari cum este AMPc. • Hormonii steroizi şi tiroxina acţionează în mod diferit. • Ei intră în celula ţintă şi se leagă de proteine receptor specifice în citosol. • Aceştia migrează în nucleu şi controlează transcrierea prin legare la ADN şi controlează exprimarea a 50-100 de gene. • Reglarea expresiei genelor • Sinteza ARNm se mai numeşte expresie genică, deoarece din molecula de ADN reprezentată de o genă, când este activată se transcrie un ARNm pentru o proteină dată. • Genele din genomul celulelor eucariote sunt întrerupte de secvenţe care nu vor fi regăsite în secvenţa proteinelor. • Astfel unitatea transcriptibilă a genei la eucariote este formată din introni şi exoni. • Reglarea întregii căi metabolice se face în principal de la prima reacţie pentru a nu sintetiza intermediari inutili. Expresia unei gene reglatoare este legată de 4 nivele: • transcripţia; • maturarea transcriptului; • transducţia; • activarea proteinelor mature. • Punctul de control principal al transcripţiei este ARN polimeraza I, enzima cheie a expresiei unei gene. • Cis şi transreglatoare • Secvenţa nucleotidelor promotorului factorul cis reglator este recunoscută printr-o clasă de proteine specifice 8 factori transreglatori a căror structură permite o legătură cu ADN (ADN proteine de legătură). • Factorii transreglatori influenţeză viteza de transcripţie. Ei pot fi enhanceri cu rol activator, sau pot fi inhibitori (secvenţe silencer). Legătura lor cu ADN depinde de circumstanţe fiziologice care induc sau reprimă expresia genelor. • Există elemente esenţiale prezente în majoritatea genelor: • elementul principal este caseta TATA ; • elemente de bază, ca octamer recunoscut de factorul OCT1 prezent în aproape toate celulele. • Există elemente care răspund la factori a căror prezenţă depinde de semnale care parvin la celule, în special hormoni ca insulina sau mesagerii de ordinul II ca AMPc. • Astfel, promotorul lipoprotein- lipazei conţine TATA box, elemente ale promotorului de bază, elemente de răspuns la hormoni şi elemente de expresie tisulară specifice. • În promotorul genelor există 20-30 situsuri de fixaţie pentru factorii transreglatori din care majoritatea au efect inductor, sau represor asupra expresiei unei gene. • Recunoaşterea ADN de către proteine • Au fost identificate 3 motive proteice importante: • • motivul elice-cot-elice helix-turn-helix, • proteină de tip amprentă de Zn sau zinc finger, • proteine fermoar de leucină -leucine zipper. • Domeniu helix-buclă-helix, permite legarea specifică a helixului α cu nucleotide în marele silon, în jur de 10 perechi de baze. Proteine de legătură ADN. • Reglarea expresiei genelor în timpul hipoglicemiei • hipofiză secretă ACTH. Acesta provoacă secreţia cortisolului de către celulele zonei fasciculate. • Cortisolul acţionează asupra ficatului şi se leagă de proteine specifice, receptorii pentru cortisol. Aceste proteine leagă hormonii constituind factorii trans-reglatori. • Factorii transreglatori trec în nucleul hepatocitelor se leagă de ADN la nivelul promotorului anumitor gene care au elemente cis reglatoare specifice: GRE (glucocorticoid responsive element). • Legătura factorilor transreglatori cu secvenţa cis-reglatoare vor activa transcripţia genei în aval de acest promotor de unde se sintetizează mesagerul în concentraţie mare. Mesagerii astfel produşi vor induce sinteza enzimelor ce aparţin căii gluconeogenezei. • Creşterea concentraţiei acestor enzime în hepatocite va permite transformarea aminoacizilor în glucoză, care va fi eliberată în circulaţie şi va ajunge la creier; are loc o creştere a nivelului glicemiei. Reglarea hipoglicemiei • Reglarea la efort • Stresul activează mecanisme care pregătesc organismul pentru efort fizic, care necesită utilizarea glicogenului pentru contracţia musculară. • Creierul activează medulosuprarenala pe cale nervoasă pentru producerea adrenalinei. Dacă concentraţia glucozei în sânge este scăzută (hipoglicemie) pancreasul secretă glucagon. Cei doi hormoni acţionează asupra muşchilor şi a ficatului activând sinteza AMPc. • Acesta din urmă este activator a protein-kinazei A, care este capabilă să fosforileze CREB (AMPciclic element responsabil de legarea proteinelor). • CREB-P fosforilate vor trece în nucleul celulei şi se leagă de ADN la nivelul promotorului unor gene, care au un element cis reglator specific: CRE (elemente responsabile de AMP cilcic). • Legarea factorilor trans-reglatori (CREB fosforilate) pe secvenţa elementelor cisreglatoare (secvenţe TGACGTCA), vor activa transcripţia genei în aval de promotori, care atrage sinteza mesagerilor. • Mesagerii astfel produşi vor induce sinteza enzimelor aparţinând căii de glicogenoliză. • Creşterea concentraţiei acestor enzime în muşchi vor permite transformarea glicogenului în energie care va fi utilizată pentru contracţia musculară. Reglarea la efort. • ARN polimeraza II • Este enzima transcripţiei genelor exprimate sub formă de proteine. Ea este inhibată specific de toxic extras Amanite phalloide, α amanitină. • ARN polimeraza II este prezentă în toţi nucleii celulelor. • Transcripţia pe care o catalizează, necesită ribonucleotide trifosfat ca substrat (ATP, CTP, GTP, UTP) şi mai mulţi cofactori proteici (factorii de transcripţie TFIIA până la TFIIJ). • Mecanismul transcripţiei • Iniţierea • Primul care recunoaşte promotorul şi în special TATAbox, este factorul de transcripţie D (s-a notat TFIID de la transcriptional factor TF şi II de la ARN polimeraza II). El se leagă de secvenţa TATAbox prin TBP (TATA Binding Protein). • Acest factor odată legat de ADN v-a atrage şi alţi factori de transcripţie, cât şi ARN polimeraza. • Dacă ARN polimerazele sunt universale, identice pentru toate celulele şi ţesuturile, factorii de transcripţie sunt specifici pentru anumite ţesuturi. • Ei joacă un rol important în diferenţierea celulară şi menţinerea tipurilor de celule. • Pe lângă aceşti factori de transcripţie implicaţi direct în sinteza ARN, există şi proteine care reglează desfăşurarea procesului, în sensul că îl intensifică, atenuează , nu blochează. • Transcripţia poate începe dacă sunt prezente şi ribonucleotidele substrat. • Complexul de iniţiere al transcripţiei recunoaşte o secvenţă de aproximativ 100 nucleotide a lanţului antisens de ADN. • TFIIH provoacă deschiderea şi derularea parţială a dublului helix la acest nivel. • Transcripţia începe la a 22-a nucleotidă de pe TATA box, în direcţia opusă elementelor GC-CAAT şi se continuă crescând lanţul antisens în direcţia extremităţii sale 5. • Formarea acestui complex este activată sau inhibată de factori transreglatori legaţi de secvenţa cis reglatoare a aceluiaşi promotor. • Legarea TFIID pe ADN • Fixarea factorului TFIID pe TATAbox este prima etapă a complexului de iniţiere a transcripţiei.După această fixare se deformează dublul helix de manieră importantă. Acest ansamblu va servi ca punct de ancoraj pentru alţi factori de iniţiere a transcripţiei , după cum urmează: • -complexul ADN-TFIID acţionează ca un situs de legare pentru un alt factor: TFIIB care leagându-se va stabiliza complexul. Acest factor are acţiune ATPazică, eliberând energia necesară desfacerii catenelor de ADN, pentru formarea aşa zis-ului complex deschis (open); • -la acest complex se asociază alţi factori : TFIIE şi TFIIH; • -apoi la acest complex se leagă ARN polimeraza II şi în urma unui proces ATP-dependent începe iniţierea transcripţiei. Iniţierea începe cînd s-a format complexul de iniţiere, la nivelul promotorului genei ţintă; • -la acest complex se asociază un alt factor : TFIIF, care este factorul de elongaţie. • Acest factor împiedică terminarea prematură a sintezei ARN. • ARN polimeraza I şi II formaeză complexe cu factori de transcripţie care se leagă upstream (deci înaintea punctului de iniţiere) pe când majoritatea factorilor de transcripţie pentru ARN polimeraza II se leagă downstrem (chiar la mijlocul unităţii de transcripţie). Iniţierea transcripţiei • Reglarea ARN polimerazei • Activatorii sau inhibitorii transcripţiei (factori trans-reglatori) sunt proteine produse de ARN polimeraza II şi ca urmare induc sau reprimă expresia genelor transcrise. • Situsul de fixare a acestor factori transreglatori pe ADN sunt secvenţe specifice numite elemente cis reglatoare. • Cuplul elemente cis reglatoare cu factorii transreglatori legaţi, intră în contact cu complexul de iniţiere a ARN polimeraza prin intermediul unui ansamblu de proteine numite mediatori. Reglarea ARN polimerazei