Transcript 1
1 Gene Expression ใน Eukaryotic Cells Control โดย Spatial & Temporal regulation Transcriptional control ของ DNA Alternate splicing ของ RNA Cytoplasmic control ของ mRNA stability Induction ของ transcriptional activity โดย environment และ biological factors 2 Spatial & Temporal Regulation Spatial regulation: การแสดงออกของ genes แตกต่ างกัน เนื่องจากความจาเพาะของ เนื้อเยื่อ (tissue-specific expression) gene product ทุกอย่ างไม่ เป็ นทีต่ ้ องการของ ทุกเนื้อเยื่อ Temporal regulation: การแสดงออกของ genes ในเวลาที่ แตกต่ าง แล้ วแต่ สิ่งกระตุ้น หรื อช่ วงพัฒนาการ 3 Transcriptional control ของ DNA ~ RNA polymerase & promoter Alternate splicing ของ RNA ~ การตัดต่ อ RNA เต็มวัย (maturation ของ RNA) Induction ของ transcriptional activity ~ อุณหภูม,ิ แสง, hormones ชักนาให้ genes แสดงออก โดยเฉพาะระหว่ าง พัฒนาการ (development) 4 Cytoplasmic control ของ mRNA stability mRNA ถูกสลายง่ าย จึงต้ องมี transcription เพิม่ อยู่ ตลอดเวลา polypeptides ทีเ่ ป็ นผลผลิตของ gene จะหยุดการ สั งเคราะห์ polypeptides ทีม ่ มี ากเกินไปจะเป็ นผลร้ ายกับเซลล์ การสลาย (degradation) mRNA จึงป้ องกันการแสดงออก ของ genes mRNA stable โดย Poly-A tail และ Estrogen mRNA ถูกสลายถ้ ามี 3’ untranslated sequence AUUUA ซ้าหลายครั้ง 5 Transcriptional in Eukaryotes Factors สาคัญคือ 1. RNA Polymerases 2. Promoters 3. Transcription Factors 4. Enhancers 5. Upstream promoter elements 6 1. RNA Polymerase RNA polymerase ใน Eukaryotic cell มี 3 types คือ RNA Pol I ใช้ สังเคราะห์ rRNA precursor (18S + 28S + 5.8S) RNA Pol II ใช้ สังเคราะห์ mRNA precursor RNA Pol III ใช้ สังเคราะห์ tRAN precursor และ 5S rRNA precursor RNA polymerase ทั้ง 3 ชนิดของ eukaryote ไม่ มี s factor – structure ต่ างกัน – จา promoter ต่ างกัน 7 2. Promoter Promoter สาหรับ RNA Polymerase แต่ ละชนิด ต่ างกัน ที่ Element(s) ซึ่งเป็ น ลาดับพิเศษบน DNA หรื อเป็ นตาแหน่ งที่ RNA polymerase จาได้ (recognition site) ในการเข้ ามาจับที่ promoter เพื่อการ control ต่ างกัน ดังนั้น RNA polymerase แต่ ละชนิดมี promoter เฉพาะ 8 3. Transcription Factors Transcription factor หรื อ TF ช่ วยการทางาน ของ RNA Polymerase อย่ างถูกต้ อง เช่ น TATA-binding protein (TBP) TFIIA --> TFIIH โดยจับบน DNA ที่ DNA binding domain และ Transcription activation domain 9 4. Enhancers and Silencers เป็ นส่ วนของ DNA ทีช่ ่ วย stimulate transcription จาก promoter แต่ ไม่ เป็ นส่ วนของ promoter จัดเป็ นความสั มพันธ์ โดยระยะทางบน DNA (fixed spatial relationship)ในการ control genes อาจพบอยู่ ได้ หลายตาแหน่ งบน DNA 10 Enhancer & Silencer 11 5. Upstream promoter elements เป็ น binding site สาหรับ transcription factors ของ RNA polymerase II ไม่ เป็ นส่ วนของ promoter 12 Control ของ RNA Polymerase I สาหรับ rRNA (18 S, 28 S และ 5.8 S) Promoter: มีส่วนควบคุม (control element) อยู่ที่ 2 blocks คือ 1) Core element (Core) : position ระหว่ าง - 45 ถึง +20 สาหรับ RNA Polymerase 2) Upstream control element (UCE) : position ระหว่ าง -156 ถึง -107 เพื่อให้ transcription มีประสิ ทธิภาพ ทั้ง 2 blocks ไม่ ปรากฎมี consensus sequence 13 RNA Pol I Promoter Human rRNA promoter: RNA Polymerase I จับที่ -45 (downstream) ถึง +20 (upstream) TIF-I จับที่ -67 (downstream) ถึง -14 (upstream) ดังนั้น RNA Pol I - TIF-I complex จับบน promoter sequence ที่ -67 ถึง +20 14 Control ของ RNA Polymerase II Promoter: มี control element 2 แบบ แล้ วแต่ genes 1. TATA box หรื อ Hogness box ที่ -25 มี consensus sequence คือ TATAAAA ต้ องการ upstream promoter element 21 bp (เป็ น 3 repeats) ระหว่ าง -40 และ -103 2. CAAT box consensus sequence (GC)CCAATCT ที่ -75 15 Control Elements ของ RNA Polymerase II Promoter 16 Initiation complex ของ RNA polymerase II ต้ องการ TBP และ TFII A --> H 17 Enhancer ของ RNA pol II: Stimulate transcription จาก promoterไม่ มี consensus sequences เป็ น tissue-specific เช่ น mouse immunoglobulin enhancer แสดงออกใน immunoglobulin genes ในเซลล์ immune system แต่ ไม่ แสดงออกใน mouse connective tissue cell Enhancer Closed promoter 18 Enhancer Enhancer ช่ วย RNA polymerase เปิ ด promoter จึง เกิด transcription Opened Promoter 19 Control ของ RNA Polymerase III Promoter: เป็ น Internal promoter 5S rRNA gene promoter: มี control element upstream และระหว่ าง +55 ถึง +80 tRNA gene promoter มี 2 blocks แยกกัน A block ระหว่ าง +8 ถึง +30 และ B block ระหว่ าง +51 ถึง +72 20 21 Posttranscriptional Control in Eukaryote RNA ที่ สร้ างได้ ใหม่ ใน nucleus เรียกว่ า Primary transcript ยังไม่ แปรรู ปใช้ งานไม่ ได้ จะมีความยาวมาก Primary transcript หรื อ precursor ของ mRNA เรียกว่ า Heterogeneous nuclear RNA (hnRNA) 22 Heterogeneous nuclear RNA (hnRNA) 23 mRNA Processing hnRNA จะต้ องถูก modified ต่ อไปด้ วย 3 ขั้นตอน คือ 1. Capping 2. Tailing 3. Intron Splicing 24 1. Capping การแปรรู ปทีป่ ลาย 5’ โดยเติม Cap ซึ่งเป็ น 7methylguanosine ป้องกันถูกย่ อยโดย nuclease ให้ ribosome จา mRNA ได้ และ การขนส่ ง mRNA ออกจาก nucleus ไป cytoplasm Guanine triphosphonucleotide (GTP) จับที่ nucleotide ปลาย 5’ Guanine (G) ถูกเติม CH3(methyl) เข้ าที่ N7 ของโมเลกุล 25 Capping & Methylation 26 Capping Reaction 27 2. Tailing กระบวนการเติ่ม Adenine จานวนมากเข้ าทีป่ ลาย 3’ end (trailer) ของ hnRNA เรียกว่ า Polyadenylation โดย poly-A polymerase เพื่อ stability และ transportation RNA ออกจาก nucleus 28 Tailing ของ mRNA 29 3. Intron splicing Primary transcript ของ mRNA, tRNA และ rRNA มี ส่ วนเกินทีจ่ ะถูกตัดออกก่ อน ให้ เป็ น mature RNA จึง ทางานใน cytoplasm ได้ ส่ วนเกิน หรื อ noncoding sequence เรียกว่ า Intron อยู่ ระหว่ าง coding sequences ซึ่งเรียกว่ า Exon 30 31 mRNA Splicing 32 Intron แบ่ งเป็ น 4 กลุ่ม 1. Group I intron : intron มี 5’ UA และ 3’ G nuclear rRNA precursor และ mitochondrail rRNA 2. Group II intron : intron มี 5’ G และ 3’ ANn-G mitochondrial mRNA precursor 3. Nuclear mRNA intron : intron มี 5’ G และ 3’ UACUAAC box (TACTAAC box บน DNA) mRNA precursor ใน nucleus ของ eukaryotes 4. tRNA intron : ลักษณะเฉพาะตัว 33 Mechanism ของ Splicing 1. Self splicing โดย Autocatalytic property of intron เอง 1.1 ต้ องการ Guanine-containing nucleotide (GMP, GDP, GTP) พบใน group I introns 1.1 ไม่ ต้องการ Guanine-containing nucleotide พบใน group II introns 34 2. Spliceosome: ต้ องการ snRNA เป็ นเอนไซม์ ตัด และมี proteins เป็ นส่ วนประกอบ รวมเรียกว่ า small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs) หรื อ Snurps หรื อ Spliceosomes พบใน mRNA precursor 3. tRNA precursor splicing: ใช้ Splicing endonuclease และ Splicing ligase 35 Self-splicing ของ Group I intron ต้ องการ Guanine 36 Self-splicing ของ Group II intron ไม่ ต้องการ Guanine 37 Spliceosome ต้ องการ Snurps โดย snRNA มี enzyme activity (Ribozyme) 38 Alternative Splicing ของ mRNAs การตัด Introns หรื อ ต่ อ Exons อย่ างสลับของ mRNA precursor ในบางกรณี Splicing site ที่ 5’ และ 3’ บน intron อาจ เปลีย่ นได้ ทาให้ gene 1 gene สามารถให้ mRNA หลายแบบ เป็ น Family ของ mRNAs นั่นคือ 1 gene สามารถ code ให้ protein ได้ หลายแบบทีค ่ ลาย กันมาก ซึ่งเรียกว่ า Protein Isoforms เช่ น Immunoglibulin genes code ให้ antibody หลายชนิด 39 Alternate Splicing 40 tRNA Splicing Splicing endonuclease ตัดปลายทั้ง 2 ข้ างของ intron Splicing ligase ต่ อปลายของ 2 exons เข้ าด้ วยกัน 41 42 Reverse transcription สั งเคราะห์ DNA โดยใช้ RNA เป็ นแม่ แบบ และ ใช้ RNA-dependent DNA polymerase หรื อ Reverse transcriptase (RT) DNA ทีไ่ ด้ เรี ยกว่ า Complementary DNA (cDNA) RNA tumor virus เมื่อเข้ าไปในเซลล์ จะสร้ าง cDNA ก่ อน แล้ วจึงต่ อ (integrate) เข้ า DNA ของ host และ cDNA สามารถสั งเคราะห์ จาก mRNA ได้ ในหลอดแก้ ว (in vitro) 43 Reverse Transcription 44 Mechanism ของ Reverse Transcription 45 Central Dogma Update V. 1 V. 2 V. 3 V. 4 (forbidden) 46