Transcript MolGen_3-Eikariotu Gēnu Regulācijai

• Ievads
• Molekulārās Ģenētikas Pamati
• Gēnu Aktivitātes Regulācija
Molekulārā Ģenētika
Cilvēka Genoms: Bioloģija un Medicīna
• Cilvēka Genoma Projekts
• Tests I
• Cilvēka Genoms I
• Cilvēka Genoms II
• Genoma Variācijas
• Tests II
• Monogēnās un Kompleksās Slimības
• Farmakoģenētika (& koronārā sirds slimība)
• [Imunoglobulīnu gēni]
• [Vēža molekulārā bioloģija]
• Tests III
• Parādi (vai eksāmens)
• Laimīgu Jauno Gadu! 
http://priede.bf.lu.lv - Studiju materiāli / MolekularasBioloģijas / MolGen / LV
Gēnu aktivitāte atšķiras un tiek regulēta
Aktīvs gēns
Neaktīvs gēns
Genomes, 3rd Edition
Hromatīna Struktūra un Gēnu Aktivitāte
heterohromatīna proteīni
nukleosomas
histonu
modifikācijas
heterohromatīns
eihromatīns
Molecular Biology of the Cell, 5th Edition
Interfāzes hromatīna tipi
1. Eihromatīns
–
–
‘parastā’ forma
satur (potenciāli) aktīvus gēnus
2. Heterohromatīns
–
–
–
kompaktāka forma, kas inaktivē gēnus
specifiskas histonu modifikācijas
papildus proteīni (HP1)
–
konstitutīvs
–
fakultatīvs
• vienmēr un visur
• centromēras, telomēras u.c.
• nesatur gēnus
• noteiktās šūnās vai noteiktā laikā
• satur neaktīvus gēnus
Pozicionālais efekts - klonēta gēna ekspresijas efektivitāte
atkarīga no tā, kādā hromosomas rajonā šis gēns ieklonēts
Divi veidi, kā hromatīna struktūra nosaka gēnu aktivitāti
1
Heterohromatīns
(gēni nepieejami)
Eihromatīns
(gēni pieejami)
Gēns
neaktīvs
2
Gēns
aktīvs
Genomes, 3rd Edition (modificēts)
Eihromatīna struktūru ietekmējoši mehānismi
1. Histonu modifikācijas
• aktivējošas (šeit)
• represējošas
Gēna aktivators (šeit)
vai represors
2. Nukleosomu remodelēšana
• pārveidošana (šeit)
• histonu noņemšana
• histonu aizstāšana
Histonu acetiltransferāze
Nukleosomu remodelēšanas
komplekss
specifiskas acetilācijas
pārveidotas nukleosomas
vispārējie transkripcijas faktori
un RNS polimerāze
TRANSKRIPCIJAS AKTIVĀCIJA
Tipiskākās histonu modifikācijas
nukleosoma
acetilēts lizīns
metilēts arginīns
metilēts lizīns
fosfoserīns
Recombinant DNA, 3rd Edition
Histonu kods
modifikācijas
“nozīme”
heterohromatīna veidošana,
sailensings (“silencing”)
[gēnu represijas veids]
gēnu ekspresija
gēnu ekspresija
Hox gēnu sailensings,
X hromosomas inaktivācija
Gēnu aktivitāti būtiski ietekmē DNS metilācija
citozīns
5-metilcitozīns
metilēšana
CG sekvencēs; inaktivē gēnus; CpG salas - parasti promoteros
• DNS metilēšanu noteiktās vietās pēc replikācijas veic DNS
metiltransferāzes (DNMT 1, DNMT 3A, DNMT 3B).
• CpG (jeb vienkārši CG) salas – genoma rajoni, kuros CG sekvenču
ir krietni vien vairāk kā citviet genomā.
Visticamāk, DNS metilācija izraisa hromatīna struktūras izmaiņas
CpG sala
Gēns
CpG sala tiek
metilēta
MeCP2
proteīns
MeCP (Methyl-CpG-binding protein)
Saistās MeCP proteīni
Hromatīna
modifikācijas
Genomes, 3rd Edition (modificēts)
Regulatorās Sekvences un Gēnu Aktivitāte
Eikariotiem; it īpaši tādiem kā Jūs; raksturīgi ļoti kompleksi gēnu regulatorie rajoni
regulatora
sekvence
baktērija
promoters (minimālais)
raugs
cilvēks
enhansers
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition
Regulatora DNS sekvence – sekvence, pie kuras saistās transkripcijas regulatorie proteīni
Regulatoro sekvenču veidi
TF – transkripcijas faktors
S – sailensers
P – promoters
I – insulators
E – enhansers
TF – transkripcijas faktori
2010, 11, 439-446
o Promoteri – vietas, kur saistās RNS polimerāze, lai uzsāktu transkripciju
o Enhanseri (pastiprinātāji) – veicina transkripciju
o Sailenseri (klusinātāji) – bloķē transkripciju, iniciējot heterohromatīna veidošanos
o Insulatori (izolatori) jeb robeželementi (“boundary elements”) – sargā gēnus no nevēlamām ietekmēm:
1. enhanseru bloķētāji – bloķē ‘komunikāciju’ starp enhanseru un promoteru
2. barjeru sekvences - novērš heterohromatīna izplatību
3. kombinētie
o Lokusu kontroles rajoni (LCR – locus control region) – nepieciešami dažu genoma domēnu aktivitātei
Eikariotu gēnu transkripciju regulējošo rajonu uzbūve ir modulāra
Genomes, 3rd Edition
Promoteru moduļi (pēc Genomes, 3rd Ed.)
 minimālie (“core”) - TATA u.c.
o visiem gēniem
 bazālie
o ietekmē bazālo transkripcijas līmeni
o daudzos RNS polimerāzes II promoteros
o CAAT box (NF1 un NFY aktivatori), GC elements (SP1), oktamēra modulis (Oct1) u.c.
 atbildes (“response”)
o nodrošina atbildi pret signāliem no ārpuses
o CRE – nodrošina atbildi pret cAMP, SRE – atbilde uz seruma faktoru u.c.
 šūnu specifiskie
o raksturīgi gēniem, kas tiek ekspresēti tikai noteikta tipa šūnās
o eritroīdais modulis (saista GATA-1 aktivatoru), mioblastu modulis (MyoD) u.c.
 attīstības regulācijas
o raksturīgi gēniem, kas ir aktīvi tikai noteiktos attīstības posmos
Tas nodrošina efektīvu kombinatoro kontroli
Levine M & Tjian R (2003) Nature, 424, 147
Modelis cilvēka b-globīna gēna kontrolei
Nez, kurš no transkripcijas iniciācijas tipiem tieši pašreiz notiek Jūsos?
Tieša RNS polimerāzes saistīšanās
RNS polimerāze
Netieša RNS polimerāzes saistīšanās
RNS polimerāze
Platforma, kuru veido
DNS saistošie proteīni
Genomes, 3rd Edition
Minimālā (“core”) promotera elementus atpazīst vispārējie transkripcijas faktori (TF)
TATA
elements
transkripcijas sākums
(TFII – general Transcription Factor for RNA polymerase II)
TBP TFIID
TFIIA
TFIIB
TFIIF
UTF, ATF
CTF, GTF
citi faktori
TFIIE
RNS
TFIIH
RNS polimerāze II
TRANSKRIPCIJA
Dažiem gēniem ir alternatīvi promoteri, eg, distrofīna gēnam
Alternatīvie promoteri
Cilvēka distrofīna gēns
Genomes, 3rd Edition
C – smadzeņu garozā; M – muskuļos; Ce – smadzenītēs; R – tīklenē;
CNS – centrālajā nervu sistēmā; S – Švāna šūnās; G – citos audos.
Eikariotu DNS transkripcijas iniciācijai nepieciešami arī aktivatori
Aktivators
Enhansers
Genomes, 3rd Edition
Aktivatori palīdz izveidot transkripcijas iniciācijas kompleksu
Multisubvienību kofaktoru kompleksi
(mediators u.c.)
Hromatīna remodelēšanas un
modificēšanas kompleksi
Aktivators
Levine M & Tjian R (2003) Nature, 424, 147
Aktivatori var darboties arī no distances; un ļoti lielas
aktivators
TATA
elements
enhansers
transkripcijas starts
Promoteram pievienojas
universālie transkripcijas faktori, RNS polimerāze
II, mediators, hromatīna pārveidošanas komplekss
un histonu acetilāzes
mediators
hromatīna
remodelēšanas
komplekss
histonu acetilāze
SĀKAS TRANSKRIPCIJA
Divi modeļi: (i) tiešā kontakta modelis (šeit); (ii) signāla pakāpeniska pārnese (“tracking”)
Cilvēka interferona gēna transkripcijas iniciācijas modelis
gēna aktivācijas proteīns
histonu acetiltransferāze
histonu
acetiltransferāze
gēna aktivācijas proteīns
histonu kods
transkripcijas
iniciācijai
hromatīna
remodelēšanas
komplekss
hromatīna remodelēšanas
komplekss
histonu
kināze
histonu
kināze
pārējie transkripcijai
nepieciešamie komponenti
TRANSKRIPCIJA
INSULATORI sadala genomu funkcionālos domēnos
gēns A
insulators enhansers
gēns B
(enhansera bloķētājs)
insulators
(barjeras sekvence)
aktīvi transkribējama
hromatīna domēns
Insulatori bloķē enhanseru ietekmi uz ‘svešiem’ gēniem
enhansers
promoters
promoters
enhansers
insulators
promoters
enhansers
insulators
promoters
enhansers
insulators
promoters enhansers
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
Divi no enhanseru bloķēšanas modeļiem
E – enhansers
EB - enhansera bloķētājs
Sailenseru un barjeras sekvenču darbības mehānisms
S – sailensers, B – barjeras sekvence, TF – transkripcijas faktori,
CR – hromatīna remodelētāji, HM – histonu modificētāji, R – represors
2010, 11, 439-446
Citi barjeras sekvenču darbības modeļi
West GW & Fraser P (2005) Hum Mol Gen, 14, R101
Dažu genoma rajonu aktivitāti nosaka Lokusu kontroles rajoni (LCR)
100 000 bāžu pāri
lokusa
kontroles
rajons
globīna gēnu domēns
relatīvā globīnu sintēze
b-globīna gēns
DZIMŠANA
vecums nedēļās
Cāļa b-globīna LCR struktūra
Vol. 7, 703-713
RNS interference
Fenomens, kad īsas (21-22 nukleotīdi) RNS
molekulas represē gēnu ekspresiju.
miRNS (mikro RNS)
•
•
•
Gēnu ekspresijas regulācija – vismaz 30% cilvēka gēnu
Priekštecis (pre-miRNS) – vienpavediena RNS
Izcelsme – šūnas transkripti
siRNS (mazās interferences RNS)
•
•
•
Aizsardzība pret vīrusiem un transpozonu ekspansiju
Priekštecis – divpavedienu RNS
Izcelsme - dažāda
RNS interferences mehānisms
citoplazma
kodols
pasažiera RNS
(“passanger” RNA)
hromatīna
remodelēšana
RISC = RNA-induced silencing complex
RNS inducēts sailensinga (jeb represijas) komplekss
gida RNS
(“guide” RNA)
translācijas
inhibēšana
degradēšana
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition (modificēts)
miRNS procesings un darbības mehānisms
ŠĶELŠANA (Drosha un Pasha)
KODOLS
ŠĶELŠANA
CITOPLAZMA
Argonauts
u.c. proteīni
izteikta
komplementaritāte
mRNS
neliela
komplementaritāte
mRNS
inhibēta translācija
ātra mRNS degradēšana
miRNS var būt iekodētas dažādos rajonos
pre-miRNS kodējošā rajonā
starta
kodons
stop
kodons
pre-miRNS nekodējošā rajonā
pre-miRNS proteīnu kodējoša gēna intronā
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition (modificēts)
EPIĢENĒTIKA
Waddington, 1942: “[T]he
branch of biology which
studies the causal interactions
between genes and their
products, which
bring the
phenotype
into
being”
(epi[ģenēze] + ģenētika).
Tagad parasti ar šo terminu
izprot: epi (grieķiski: επί – virs
[DNS līmeņa]) ģenētika.
Epiģenētiskā regulācija un iedzimtība
Fenotipisko izmaiņu iedzimtība, kas nav saistīta
ar DNS sekvences izmaiņām (šūnu ‘atmiņa’).
Mehānismi
• DNS metilācija
• Histonu modifikācijas
•
[Nekodējošās RNS]
• Autopozitīvā regulācija
• Strukturālā iedzimtība
Ģenētiskās un Epiģenētiskās iedzimtības salīdzinājums
ĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA
EPIĢENĒTISKĀ IEDZIMTĪBA
gēns X aktīvs
gēns Y aktīvs
HROMATĪNA
STRUKTŪRAS MAIŅA
DNS NUKLEOTĪDU
SEKVENCES MAIŅA
gēns X inaktivēts
gēns Y inaktivēts
SOMATISKO ŠŪNU ATTĪSTĪBA
gēns X neaktīvs
gēns X neaktīvs
gēns Y neaktīvs
DZIMUMŠŪNU ATTĪSTĪBA
gēns X neaktīvs
gēns Y aktīvs
gēns Y neaktīvs
DNS metilācijas ainu atjaunošana
nemetilēts
citozīns
metilēts
citozīns
DNS
replikācija
metilēšana
DNMT1 (DNS metiltransferāze 1)
metilēšana
Histonu modifikāciju atjaunošana
Specifiski epiģenētiskie fenomeni
Imprintigs (‘iezīmētie gēni’)
Gēns tiek ekspresēts atkarībā no tā, vai tas mantots no mātes vai tēva
Gēnu ‘devas’ kompensācija
Nejauša izvēle – nav svarīgi, vai gēns mantots no tēva vai mātes


X hromosomas inaktivācija
Mono-alēliskā ekspresija
Imprintings
Imprintinga mehānisms Igf2 lokusā
Molecular Biology of the Gene, 5th Edition
X hromosomas inaktivācija
X hromosomas inaktivācijas mehānisms
XIC: X-inaktivācijas centrs
XIST: X-inaktivācijai specifisks transkripts
Molecular Biology of the Gene, 6th Edition
Tas, kas notiek Jūsu šūnās, ir atkarīgs ne tikai no Jūsu DNS
Šūna
Waddington CH (1957). From: Cell (2007) 128, 635-638. DOI: (10.1016/j.cell.2007.02.006)
Identiskie dvīņi nav identiski
Fenotips = Genotips + Epigenotips + Vide
Varbūt Lamarkam ir arī kāds kriksītis taisnības?