Genetyka molekularna
Kontrola ekspresji genów u organizmów eukariotycznych
Przedstawisz istotę regulacji ekspresji genów u Eukaryota.
Opiszesz poziomy kontroli ekspresji genów w komórkach eukariotycznych.
Ekspresja genów wymaga odpowiedniej regulacji. Dzięki temu produkowane są białka potrzebne w danym momencie komórce (organizmowi), co pozwala uniknąć wytwarzania zbędnych produktów i tym samym strat energii oraz zasobów. Czasowe zapotrzebowanie na określone białka może wynikać m.in. z chwilowej dostępności surowców (np. źródeł energii) lub konieczności neutralizacji szkodliwych substancji. Zróżnicowana ekspresja genów jest niezwykle ważna podczas różnicowania się określonych typów komórek i tkanek u wielokomórkowców. Każda z komórek organizmu wielokomórkowego, w trakcie rozwoju płodowego, powstaje z komórek totipotencjalnychkomórek totipotencjalnych. Ich specjalizacja polega właśnie na stymulacji aktywności genów kluczowych dla pełnienia danej funkcji oraz ograniczaniu aktywności tych, które są dla tych funkcji zbędne.
Poziomy regulacji ekspresji genów
Regulacja ekspresji genów u organizmów eukariotycznych może zachodzić na kilku etapach. Wyróżnia się regulację:
pretranskrypcyjną (przed rozpoczęciem transkrypcji),
transkrypcyjną (inicjacji i przebiegu transkrypcji),
potrankrypcyjną,
translacyjna,
potranslacyjną.
Regulacja pretranskrypcyjna - regulacja dostępu do genu
Aby geny mogły zostać aktywowane, najpierw chromatyna musi ulec rozluźnieniu. Jest to tzw. regulacja dostępu do genu. Wiąże się ona z modyfikacją chemiczną histonów, co powoduje zmianę kondensacji chromatyny. Stopień kondensacji wpływa na dostępność białek inicjujących transkrypcję do promotora genu: w chromatynie silnie skondensowanej (heterochromatyna) jest on utrudniony i transkrypcja nie zachodzi, natomiast w w obszarach rozluźnionej chromatyny (euchromatyna) może się odbywać synteza mRNA.
Jednym z przykładów tego typu regulacji jest obecność tzw. ciałka Barraciałka Barra. U kobiet w komórkach somatycznych jeden z pary chromosomów X jest silnie skondensowany (czyli „wyłączony”), dzięki czemu ekspresja genów mieszczących się na tym chromosomie ma podobny poziom u obu płci.
Podstawowymi sposobami modyfikacji histonów wpływającymi na kondensację chromatyny są procesy:
acetylacji i deactylacji,
metylacji i demetylacji.
Acetylacja to modyfikacja, która polega na przyłączeniu grupy acetylowejgrupy acetylowej do białka. Procesem odwrotnym do acetylacji jest deacetylacja, polegająca na odszczepieniu grupy acetylowej od cząsteczki białka. Acetylacja histonów powoduje rozluźnienie chromatyny, a deacetylacja – jej kondensację.
Histony mogą ulegać również metylacji (przyłączaniu grup metylowychgrup metylowych), która może zarówno aktywować transkrypcję, jak i ją blokować. To, jaki wpływ ten proces będzie miał na ekspresję genu zależy od rodzaju oraz poziomu metylacji poszczególnych aminokwasów. Najczęściej zwiększony poziom metylacji histonów związany jest z kondensacją chromatyny, a zatem ograniczeniem transkrypcji w danym rejonie DNA. Procesem odwrotnym do metylacji histonów jest ich demetylacja.
Zapoznaj się z symulacją „Wpływ acetylacji i metylacji histonów na strukturę chromatyny”, a następnie wykonaj polecenia.
Klikając na poszczególne modyfikacje, obserwuj, w jaki sposób regulują one dostęp do genu.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D77EHUNTM
Symulacja interaktywna opisuje, jak poszczególne modyfikacje, obserwuj, w jaki sposób regulują one dostęp do genu. Po kliknięciu na duże pole START pojawia się plansza z napisem: Regulacja dostępu do genu oraz dwa prostokątne pola z napisem: W jaki sposób zmiany acetylacji histonów wpływają na spiralizację i despiralizację chromatyny? oraz: W jaki sposób zmiany metylacji histonów wpływają na spiralizację i despiralizację chromatyny? Po kliknięciu na pierwsze prostokątne pole z ekranu głównego pojawia się długi łańcuch złożony z okrągłych, ułożonych w rzędzie białek histonowych, dwóch par pofalowanych linii odchodzących z góry i z dołu białek – ogonków histonowych oraz łączących je linii – helisy DNA. Pod spodem widoczne są dwa prostokątne pola z napisami: Acetylacja i Deacetylacja. Po kliknięciu na pole: Acetylacja, białka oddalają się od siebie, wydłużają się przestrzenie między nimi oraz wydłuża się linia symbolizującą helisę DNA. Do ogonków histonów dołączają się niewielkie okręgi z napisem Ac wewnątrz – jest to grupa acetylenowa. Pod spodem wyświetla się napis: Acetylacja histonów wpływa na strukturę chromatyny, regulując ekspresję informacji genetycznej w komórce. Struktura DNA pomiędzy białkami histonowymi znacznie się rozluźnia. Po kliknięciu na pole: Deacetylacja, białka zbliżają się ściśle do siebie. Pod spodem wyświetla się napis: Deacetylacja histonów wpływa na strukturę chromatyny, regulując ekspresję informacji genetycznej w komórce. Struktura DNA pomiędzy białkami histonowymi znacznie zwiększa swoje napięcie.
Po kliknięciu na drugie prostokątne pole z ekranu głównego pojawia się długi łańcuch złożony z okrągłych, ułożonych w rzędzie białek histonowych, dwóch par pofalowanych linii odchodzących z góry i z dołu białek – ogonków histonowych oraz łączących je linii – helisy DNA. Pod spodem widoczne jest prostokątne pole z napisem: Metylacja. Po kliknięciu na nie odległości pomiędzy białkami zmniejszają się, a do dolnych ogonków histonowych dołącza się grupa metylowa w postaci żółtego punktu z krótką linią. Na dole znajduje się prostokątne pole z napisem: Demetylacja. Po kliknięciu na nie łańcuch złożony z białek wraca do stanu pierwotnego. Pod spodem pojawia się napis: Demetylacja histonów wpływa na strukturę chromatyny, regulując w ten sposób ekspresję informacji genetycznej w komórce. Struktura DNA pomiędzy białkami histonowymi znacznie się rozluźnia.
Regulacja inicjacji i przebiegu transkrypcji
Regulacja przebiegu transkrypcji związana jest z obecnością czynników transkrypcyjnych, które umożliwiają przyłączenie polimerazy RNA do promotorapromotora genu.
Czynniki transkrypcje, są białkami, które mogą łączyć się bezpośrednio z promotorem lub z sekwencjami regulatorowymi (sekwencje wzmacniającewzmacniające i sekwencje wyciszające), które znajdują się poza regulowanym genem (nawet na innym chromosomie). Wiele czynników transkrypcyjnych jest specyficznych dla danego typu komórek i nie występuje w komórkach innych rodzajów. Niektóre pełnią funkcję aktywatorówaktywatorów, a inne - represorówrepresorów danego genu.
Regulacja potranskrypcyjna - alternatywny splicing
W komórkach eukariotycznych na pierwotny transkrypt (pre‑mRNA) składają się odcinki kodujące informacje o budowie białka (eksony) oraz odcinki niekodujące (introny). Podczas modyfikacji potranskrypcyjnych z pierwotnego transkryptu wycinane są introny, a z eksonów składany mRNA, który służy jako matryca do syntezy białka na rybosomach. Opisany sposób wycinania eksonów określany jest jako spilicing (składanie mRNA) lub splicing klasyczny.
W komórkach eukariotycznych możliwy jest tzw. splicing alternatywny, który polega na wycinaniu z pre‑mRNA dowolnych intronów i eksonów. W ten sposób z jednego pre‑mRNA powstają różne transkrypty, a na podstawie informacji w nich zawartych zostaną utworzone różne białka.
Zapoznaj się z symulacją „Regulacja potranskrypcyjna - splicing alternatywny”, a następnie wykonaj polecenia.
Kliknij na poszczególne elementy symulacji, żeby przeprowadzić proces splicingu.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D77EHUNTM
Zapoznaj się z opisem symulacji dotyczącej procesu splicingu.
Symulacja interaktywna przedstawia regulację potranskrypcyjną – alternatywny splicing. Po kliknięciu na prostokątne pole z napisem „Start” ukazuje się podwójna helisa DNA składająca się z dwóch skręconych wokół jednej osi linii połączonych ze sobą równoległymi do siebie odcinkami komplementarnych zasad azotowych. Nad nicią DNA widnieje napis „Kliknij, aby rozpocząć transkrypcję”. Pod spodem znajduje się prostokątne pole z napisem „Transkrypcja”. Po kliknięciu na to pole przez każdy skręt w łańcuchu DNA przesuwa się owalny kształt z napisem „polimeraza DNA”, a na dole pojawia się pojedyncza nić z rozkompletowanymi zasadami azotowymi w postaci pojedynczych odcinków, podpisana jako „pre‑mRNA”. Nić ta staje się coraz dłuższa, gdy owalny kształt z napisem „polimeraza DNA” przesuwa się coraz dalej wzdłuż łańcucha. Kolejno pojawia się plansza z napisem „Wybierz rodzaj splicingu” z dwoma prostokątnymi polami „Klasyczny” i „Alternatywny”. Po kliknięciu na pole z napisem „Klasyczny” pojawia się pojedynczy łańcuch pre‑mRNA z wyznaczonymi pięcioma intronami oraz czterema eksonami w różnych kolorach i poleceniem „Wytnij introny i połącz eksony”. Wszystkie introny należy kliknąć, aby je wyciąć (brak możliwości kliknięcia eksonów). Po wycięciu intronów eksony przysuwają się do siebie i się łączą. Pojawia się podpis „mRNA”. Pod spodem znajduje się prostokątne pole z napisem: „Translacja”. Po kliknięciu na nie pojawia się układ przylegających do siebie czterech kolorowych kwadratów i prostokątów, które symbolizują domeny białka oraz napis „Białko gotowe!”. Po kliknięciu na pole z napisem „Alternatywny” widoczny jest pojedynczy łańcuch pre‑mRNA z wyznaczonymi odcinkami (pięcioma intronami i czterema eksonami). Zarówno introny, jak i eksony można kliknąć, aby je usunąć. Należy usunąć wszystkie introny i jeden lub dwa eksony. Po dokonaniu tej czynności pojawia się prostokątne pole z napisem: „Translacja”. Po kliknięciu na nie pojawia się układ przylegających do siebie dwóch lub trzech kolorowych kwadratów i prostokątów oraz napis „Białko gotowe!”.
Regulacja translacyjna
Translacyjna regulacja ekspresji genów polega na sterowaniu procesem syntezy białka na podstawie cząsteczki mRNA. Powstający na drodze transkrypcji mRNA służy jako matryca do syntezy białka. Mimo że wytworzenie mRNA wymaga nakładu energii, w komórkach eukariotycznych występują mechanizmy, które mogą zapobiegać translacji tego mRNA lub ją aktywować. Może się to wiązać ze zmianami w środowisku lub specyficznym zapotrzebowaniem metabolicznym komórki, które wymuszają modyfikację ekspresji genów. Mechanizmy te odgrywają także kluczową rolę we wczesnych etapach rozwoju organizmu, a także podczas utrzymania komórek w stanie totipotencji.
Regulacja translacji dotyczy:
blokowania lub uruchamiania translacji danej cząsteczki mRNA,
modyfikowania wydajności translacji.
Zapobieganie translacji zachodzi wówczas, gdy wytworzenie białka byłoby dla komórki niekorzystne lub zbędne. W blokowaniu translacji biorą udział białka regulatorowe, określane jako czynniki hamujące translację, które blokują działanie czynników inicjujących translację, hamują działanie rybosomu lub powodują jego rozpad na podjednostki.
Istotną rolę w blokowaniu translacji odgrywa miRNA (microRNA, ang. microRNA). miRNA to krótkie, jednoniciowe i niekodujące cząsteczki RNA, składające się z ok. 22 nukleotydów. miRNA działają w kompleksie ze specjalnymi białkami, zwanym kompleksem wyciszającym. Z tego powodu efekt ich działania określany jest jako wyciszanie genów.
Kompleksy wyciszające działają na dwa główne sposoby:
zawarty w nich miRNA łączy się komplementarnie z mRNA uniemożliwiając jego przyłączenie się do rybosomu,
po połączeniu z mRNA białka kompleksu wyciszającego przecina jego nić, a powstałe fragmenty są następnie degradowane przez nukleazy.
Zwiększanie wydajności translacji może zachodzić m.in. poprzez zwiększenie liczby rybosomów lub czynników inicjacji translacji. Czynniki inicjacji translacji są białkami, które łączą się z mRNA lub rybosomem ułatwiając odnalezienie kodonu START. Szybkość i wydajność produkcji białka zwiększają również polisomy, dzięki którym z jednego mRNA powstaje wiele kopii białka w tym samym czasie.
Więcej o potranslacyjnej regulacji aktywności genów przeczytasz na stronach o roli drobnocząsteczkowych RNA w regulacji ekspresji genów oraz na stronie o zapobieganiu translacji.
Regulacja potranslacyjna
Po translacji wiele białek jest modyfikowanych m.in. przez przycinanie końców łańcucha polipeptydowego lub zmiany chemiczne (np. dodawanie reszt cukrowych czy reszt fosforanowych), co wpływa na funkcje i aktywność wytworzonego białka.
Więcej o potranslacyjnej regulacji aktywności genów przeczytasz na stronie o modyfikacjach potranslacyjnych białek.
Podsumowanie
Regulacja ekspresji genów polega na kontrolowaniu, które geny ulegają aktywacji, a których aktywność jest hamowana.
Regulacja ekspresji genów umożliwia różnicowanie się komórek, reagowanie na zmiany środowiska, a także na oszczędność energii i zasobów komórki, ponieważ białka powstają tylko wtedy, gdy są potrzebne.
Regulacja ekspresji genów zachodzi na wielu etapach:
- modyfikacji chromatyny - zmiana stopnia upakowania DNA przez acetylację i metylację DNA,
- transkrypcji - kontrola inicjacji tego procesu,
- obróbki potranskrypcyjnej mRNA - np. alternatywny splicing, umożliwiający wytworzenie na podstawie jednego pierwotnego transkryptu różnych białek,
- translacji - zapobieganie lub uruchamianie translacji danej cząsteczki mRNA oraz modyfikowanie jej wydajności,- obróbki potranslacyjnej - modyfikacja powstałych białek.
Ćwiczenia utrwalające
Alternatywny splicing umożliwia: Możliwe odpowiedzi: 1. zablokowanie translacji., 2. powstanie różnych transkryptów ostatecznych., 3. powstanie różnych izoform białka., 4. zwiększenie liczby białek produkowanych przez komórkę.
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.