Transcript Regulace genové exprese

Regulace genové
exprese
Kamila Balušíková
Genová exprese vs. Regulace genové exprese
• Jednobuněčné organismy: potřeba adaptace na změny
podmínek vnějšího prostředí
• Mnohobuněčné organismy: potřeba selektivní exprese
genů → diferenciace rozdílných typů buněk
► k buněčné diferenciaci tedy dochází, protože
buňky produkují a akumulují rozdílné sady molekul
RNA a proteinů; to znamená, že exprimují rozdílné
geny
• Genová exprese závisí na různých
faktorech:
 typu buňky
 jejího okolí
 jejího věku
 extracelulárních signálech
 každá buňka obsahuje kompletní genom
realizuje (exprimuje) ale pouze část genů
 NUTNOST REGULACE
 buňky musí být schopny reagovat na změny prostředí
 NUTNOST REGULACE
(B)
Úrovně regulace GE
• Genom (DNA)
• Transkripce (DNA → RNA/primární transkript)
• Posttranskripční úpravy (RNA/primární transkript →
mRNA)
• Translace (mRNA → polypeptidový řetězec)
• Posttranslační úpravy (polypeptidový řetězec →
funkční protein)
• Degradace proteinů (funkční protein → rozložený
protein)
Kroky regulace GE
Regulace transkripce – nejekonomičtější
X
Regulace aktivity proteinu - nejrychlejší
Genom (DNA)
Regulace přístupu ke genomové DNA
– Kondenzace/dekondenzace
chromozómu
Vyšší stupeň kondenzace
způsobuje, že DNA je méně
přístupná pro transkripční faktory
a RNA polymerázu
– Struktura chromatinu
(heterochromatin x euchromatin
X inactivace
 X inaktivace (pouze jeden X
chromozom je vždy aktivní Xa, Xi)
 Netranslatovaná (non-coding)
RNA – Xist (X-inactivation
specific transcript); Xi je
obalován Xist RNA,která je
transkribována tímto Xi chr.→
heterochromatin = inaktivace
 Limiting blocking factor –
vazba do X inaktivačního
centra (XIC) blokuje inaktivaci
(pouze v Xa)
 Xa – bez Xist RNA není
inaktivován
Poziční efekt
(PEV – position effect variegation)
• Každý chromosom. (a tak i gen) má své místo v jádře
(dostatek RNA polymerázy, regulačních faktorů, euchromatin)
• Odlišnosti v expresi genu jsou závislé na poloze tohoto genu
v genomu = poziční efekt
• Pokus s drosofilou :
přenesení white genu v chr.
(zbarvení oka) na pozici blízkou
heterochromatinu
– inaktivace genu
Acetylace histonů
• Histonová acetylace
→ activace
• Histondeacetyláza
odštěpuje acetylovou
skupinu z histonů
→ DNA méně přístupná
Methylace
• geny, které se v daném vývojovém stádiu mnohobuněčného
organizmu neexprimují, mohou být metylovány (→ jejich
exprese je zablokována)
• Enzym methylázy - katalyzuje
methylaci C5 cytosinu v DNA
(5-methylcytosin)
• Methylace CG míst (ostrůvků)
• (sekvence: -C*G-p-C*G-)
• Stupeň methylace DNA koresponduje se stupněm genové
exprese (methylovaný gen = neexprimovaný gen)
• Genomický imprinting – pouze jedna kopie genu (od matky x
otce) je aktivní
Epigenetika
• Studuje dědičné změny genové exprese, ke
kterým dochází beze změny sekvencí DNA
• Epigenetické procesy jsou obvykle způsobeny
represí transkripce, která je řízena modulací
chromatinu
–
–
–
–
–
Genomický imprinting
Poziční efekt
Kompenzace dávky genů (X inaktivace)
Chemická modifikace DNA, histonů
Remodelace chromatinu
Regulace transkripce
• je kontrolována regulačními proteiny, které se váží k
regulačním DNA sekvencím → Založená na interakci
protein-DNA
• Nejekonomičtější způsob regulace
• Eukaryota: každý gen pod individuální kontrolou,
komplexní regulace
• Prokaryota: reguluje se transkripce celého operonu,
jednoduchá regulace
• Transkripční inhibitory/aktivátory váží specifické
promotorové sekvence
DNA vazebné proteiny rozeznávají sekvence především
podle velkého žlábku (interakce s povrchem) + geometrie
helixu
• Regulační DNA sekvence
– nezbytné pro zapnutí nebo vypnutí transkripce
prokaryota – 10 nukleotidových párů krátké (jediný signál)
eukaryota – 10 000 nukleotidových párů vzdálené
(mikroprocesory)
• Genové regulační proteiny
– vazba na regulační DNA sekvence
 Kombinace DNA sekvencí a jejich asociace s proteinovými
molekulami působí jako spínač, který kontroluje transkripci
 Kontakt = jeden pár bází, který je spojen nekovalentní vazbou
s aminokyselinou
 Regulační protein obsahuje 10-20 takových specifických
kontaktů
 DNA – proteinové motivy = obecné strukturální vzory
regulačních proteinů
DNA – proteinové motivy = obecné
strukturální vzory regulačních proteinů
Základní typy DNA
Vazebných proteinů:
1.
2.
3.
4.
Leucine zipper
Helix-loop-helix
Helix-turn-helix
Zinc finger
Zinc finger
Zn atom - stabilizace
typ helix + β sheet (řetězce)
helix + helix (dimerizace)
Helix-loop-helix
Delší smyčka - poloha helixu není
fixována
Dimerizace (homo i hetero)
Regulace - dimerizace s kratším
proteinem
Leucine zipper
Dimerizace (hydrofobni interakce leucinů)
α helixů
Helix-turn-helix
Krátká smyčka, fixní úhel
C koncový helix: vazba do
velkého žlábku
Prokaryota
• účinná odpověď na rychle se měnící fyzikální / chemické
podmínky prostředí
• hlavním smyslem: zajistit přežití buňky
• regulace především na úrovni transkripce
•
velmi krátká životnost mRNA (cca 3 min.)
•
mRNA polygenní
• regulace gen. exprese nejlépe prostudována u proteinů s
enzymovou funkcí
Regulace transkripce u prokaryot
• OPERON – transkripční jednotka, sada genů na
chromozomu, které jsou regulovány jedním promotorem a
operátorem, jsou transkribovány jako jedno dlouhé mRNA
vlákno
– 1 mRNA (nese více genů) = 1 transkripční jednotka
– polycistronový transkript
• PROMOTOR – iniciační místo, kde transkripce skutečně
začíná, „upstream“ oblast, sekvence vázající RNA
polymerasu
• OPERATOR – krátká DNA sekvence (dlouhá cca 15
nukleotidů) v promotorové oblasti, na kterou se váží
regulační proteiny
• regulační gen – lokalizován mimo operon, kóduje
regulační protein, jeho exprese obvykle konstitutivní
(řízena účinností jeho promotoru)
• regulační proteiny - váží se na oblast
promotoru/operátoru, kódovány regulačním genem
– Protein represor (negativní) - vypíná transkripci
genů, potlačuje ji (syntéza tryptofanu)
– Protein aktivátor (pozitivní) - zapíná transkripci
genů, aktivuje ji (odbourávání cukrů, CAP)
Regulace transkripce u prokaryot
•
•
•
Jednoduchý způsob regulace
Specifické sigma faktory (interakce s RNA polymerázou)
Regulační proteiny: aktivátory, represory
Trp operon
Tryptofanový represor
repressor
Transkripce - eukaryota
Eukaryota x prokaryota
RNA-polymeráza → prokaryota 1 x eukaryota 3
RNA pol I (rRNA), II (mRNA), III (tRNA, malé RNA)
2.Eukaryotní RNA-pol vyžaduje k zahájení transkripce
přítomnost dalších proteinů = obecné transkripční
faktory (vazba na promotor, TATA box, maximálně
univerzální, evoluční konzervace)
3.Eukaryota mohou ovlivňovat iniciaci transkripce pomocí
specifických regulačních proteinů (represor, aktivátor)
vzdálených i několik tisíc nukleotidů od promotoru, DNA se
ohýbá do blízkosti promotoru, regulace je komplexní –
kombinatorická kontrola
4.K iniciaci transkripce u eukaryot musí dojít na DNA
sbalené do nukleosomů a v mnohem kompaktnějším
chromatinu
Struktura transkripční jednotky eukaryot/prokaryot
TATA box je vysoce konzervovaným
promotorem eukaryot
Výstavba preiniciačního komplexu a iniciace
transkripce
RNA polymerase II preiniciační komplex
• Nasednutí Pol II vyžaduje přítomnost obecných
transkripčních faktorů (TFII)
• TFII jsou multimerní a vysoce konzervované
• Proteiny se skládají v určitém pořadí a vytvářejí RNA pol II
preiniciační komplex
TBP se váže na TATA-box a ohýbá
dvojšroubovici DNA
TBP je podjednotkou TFIID
Iniciace transkripce
• Pouze obecné transkripční faktory většinou nestačí, je nutná
přítomnost aktivačních proteinů (pomáhají uspořádání
obecných transkripčních faktorů a RNA pol do iniciačního
komplexu) x represory zpomalují, blokují
• místo v DNA, kam se váže aktivátor – enhancer (zesilovač)
Komplex regulačních proteinů
– kombinace více efektů
Combinatorial control – kombinační kontrola
• Skupiny proteinů působí společně tak, aby
determinovaly expresi jednoho genu
• Efekty mnohočetných genových regulačních proteinů se
kombinují a determinují míru spuštěné transkripce
• Efekt jediného genového regulačního proteinu může být
rozhodující pro zapnutí nebo vypnutí jakéhokoli genu
• To se děje na základě kompletování kombinace
Aktivátory
Většinou se váží na
vzdálené oblasti
Synergický efekt
Aktivátor může být také represor
Acetylace histonů
Represory
Represory mohou působit
rozdílnými mechanismy
Represory a aktivátory váží histonovou acetylázu a
deacetylázu
Aktivace regulačních proteinů u eukaryot
Posttranscripční modifikace
• RNA capping a RNA polyadenylace
zvýšení stability mRNA
• Alternativní splicing
• RNA editace
Alternativní splicing
• primární transkript může být sestřižen různými způsoby,
odstraněním ne pouze všech intronů, ale také
určitých exonů, za vzniku rozdílných mRNA, v
závislosti na buněčném typu, kde je gen exprimován,
nebo na stupni vývoje organismu
- umožňuje eukaryotům zvýšit kódující potenciál jejich
genomů
- vytváří plasticitu eukaryotické genetické informace
- vliv okolních proteinových faktorů na RNA sestřih
- dovoluje, aby rozdílné proteiny byly produkovány
jedním genem (1 gen – 5 proteinů)
- alternativní sestřih je tkáňově specifický
RNA editace
• Editace RNA - inzerce nebo delece nukleotidů a nebo
substituci nukleotidů v přepsané RNA
– určitá změna přepisované genetické informace
– např. objevení se nových iniciačních a stop kodonů
– pomocí gRNA (guide RNA)
Translace
• Každá molekula mRNA je nakonec v buňce degradovaná
(degradace mRNA)
• Životnost odpovídající mRNA ovlivňuje expresi
příslušného genu (delší životnost mRNA znamená vyšší
hladinu translatovaného proteinu a naopak)
• Životnost mRNA je regulovaná nukleotidovými
sekvencemi v 3' nepřekládané oblasti mRNA
• Translace může být také regulovaná vazbou
specifického proteinu na mRNA
– Např. IRP („iron regulatory protein“)/IRE („iron responsive
element“) system
Regulace na principu stabilizace mRNA
Iron-dependent regulation of the stability of transferrin-receptor mRNA
system IRP/IRE
Regulace na principu inhibice translace
Iron-dependent regulation of translation of ferritin mRNA
system IRP/IRE
Posttranslační modifikace
Nově syntetizovaný polypeptidový řetězec – modifikace
celou řadou mechanismů, např. štěpení polypeptidového
řetězce, vazba molekul
– Odstranění methioninu z N konce: každý nově
syntetizovaný polypeptidový řetězec začíná methioninem
– Odstranění signální sekvence: signální sekvence je
sekvence aminokyselin, která funguje jako signál pro
přechod do žádané lokalizace
– Proteolytické štěpení: formování funkčního proteinu
štěpením prekurzorového polypeptidového řetězce
(proinsulin → insulin)
– Formování disulfidových můstků: vznikají mezi
přilehlými cysteiny Stabilizují strukturu proteinu
– Chemická modifikace aminokyselin
• fosforylace (vazba fosfátu)
• hydroxylace (vazba –OH skupiny)
– Glykosylace: vazba oligosacharidového řetězce
(glykoproteiny)
– Vazba prostetických skupin: vazba prostetické
skupiny (neaminokyselinová/neproteinová molekula)
může být vyžadovaná pro fungování proteinu (hem
v hemoglobinu)
Insulin
Degradace proteinů- proteasome
• Protein degradation – regulation of the amount of particular protein
within the cell
• Individual proteins vary in their life span
• Most proteins in cells are degraded by proteasomes
- Proteasome is a large complex of proteolytic enzymes forming
kind of cylinder
- Proteins are marked for degradation by the covalent binding of a
small protein ubiquitin