Regulace genové exprese
Download
Report
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