ekspresja_informacji_genetycznej_Eukaryota.pdf
(
301 KB
)
Pobierz
1
Struktura genu eukariotycznego
1
Struktura genu eukariotycznego
Schemat ekspresji informacji genetycznej w zwierzęcej komórce eukariotycznej przedstawiono na
poniższym schemacie:
W jądrze komórek
eukariotycznych występują trzy
polimerazy RNA:
- polimeraza RNA I
–
transkrybuje większość genów
rRNA (lokalizacja: jąderko)
-
polimeraza RNA II
–
transkrybuje wszystkie geny
kodujące białka i niektóre geny
snRNA (lokalizacja: nukleoplazma)
-
polimeraza RNA III
–
transkrybuje geny tRNA, 5S rRNA
U6 snRNA oraz geny kilku innych
klas małych RNA (lokalizacja:
nukleoplazma)
W dalszej części omówiono pokrótce elementy struktury jądrowego
genu eukariotycznego
transkrybowanego przez polimerazę RNA II
. Przedstawione zostaną niektóre aspekty budowy promotora,
inicjacji i regulacji transkrypcji oraz potranskrypcyjnych etapów ekspresji genu eukariotycznego wraz z
elementami strukturalnymi, warunkującymi ich właściwy przebieg. Poniższy schemat w sposób uogólniony i
uproszczony przedstawia strukturę takiego genu.
Regulacja ekspresji genów eukariotycznych na poziomie transkrypcji
Regulacja ekspresji wielu genów eukariotycznych odbywa się na poziomie transkrypcji. Głównym
transkrypcyjnym mechanizmem regulacji jest inicjacja transkrypcji kontrolowana przez oddziaływanie
kompleksu polimerazy RNA II z promotorem genu. Promotory genów transkrybowanych przez polimerazę RNA
II stanowią mniej lub bardziej rozległe obszary położone powyżej (po stronie 5’) miejsc inicjacji transkrypcji i
zawierają bardzo rozmaite
elementy
cis
. Niektóre z nich umożliwiają prawidłowe rozpoczęcie transkrypcji i
odpowiadają za podstawowy poziom mRNA, inne mają znaczenie regulacyjne - aktywują bądź (rzadziej)
hamują ekspresję danego genu w danej sytuacji.
W odróżnieniu od enzymów prokariotycznych, polimerazy RNA
Eukaryota
nie są w stanie same
rozpoznać i związać się z DNA. Za rozpoznanie sekwencji promotorowych i uformowanie funkcjonalnego
kompleksu transkrypcyjnego odpowiedzialny jest zestaw
podstawowych czynników transkrypcyjnych
.
Struktura genu eukariotycznego
2
Pierwszym etapem składania kompleksu transkrypcyjnego polimerazy RNA II jest wiązanie się podstawowego
czynnika transkrypcyjnego TFIID z konserwowaną sekwencją DNA powyżej miejsca inicjacji transkrypcji, tzw.
elementem lub blokiem TATA
(ang.
TATA-box
). TFIID zawiera białko wiążące się z blokiem TATA zwane
TBP (ang.
TATA binding protein
) oraz kilka białek typu TAF (ang.
TBP-associated factors
). Element TATA jest
zasadniczym elementem transkrypcji na poziomie podstawowym, który jednak nie występuje we wszystkich
promotorach dla polimerazy RNA II (patrz niżej). Sekwencja najwyższej zgodności elementu TATA to ciąg
ośmiu par AT:
TATAAATA
(minimalny element TATA: TATAAA), występujący w kontekście sekwencji
bogatych w pary GC. U większości
Eukaryota
TATA lokuje się w obszarze mniej więcej -25 - -30 i
współdecyduje o wyznaczeniu miejsca startu transkrypcji. U drożdży pozycja elementu TATA nie jest tak ściśle
określona i leży w zakresie od -40 do -120 (za wyznaczenie miejsca startu transkrypcji w większym stopniu
odpowiada kontekst pozycji +1). Następnym etapem po związaniu TFIID jest precyzyjnie kontrolowane
wiązanie wielu innych podstawowych czynników transkrypcyjnych i tworzenia aktywnego
kompleksu
inicjacyjnego
polimerazy RNA II
(zwanego również holoenzymem).
Transkrypcja zwykle zaczyna się od
A
, która występuje w luźno zdefiniowanym kontekście sekwencji
regionu inicjatorowego
Inr
(ang.
Initiator region
). Sekwencja najwyższej zgodności Inr dla drożdży to: TCGA
lub PuPuPyPuPu; zaś dla innych Eukaryota: PyPyCAPyPyPyPy.
Wiele promotorów genów
Metazoa
nie zawiera elementu TATA. Są to w większości bogate w
nukleotydy G i C promotory wyrażanych konstytutywnie genów podstawowego metabolizmu komórkowego
(ang.
house-keeping
). W tego rodzaju genach inicjacja transkrypcji może zachodzić w pojedynczym miejscu, w
kilku miejscach zgrupowanych w niewielkim obszarze lub bardzo wielu miejscach oddalonych od siebie nawet o
setki nukleotydów.
Skład kompleksu inicjacyjnego jest w zasadzie identyczny dla wszystkich genów transkrybowanych
przez polimerazy RNA II. Jednakże wydajność jego składania oraz procesy związane z inicjacją transkrypcji, od
których zależy poziom ekspresji, są bardzo zróżnicowane. Za kontrolę tych procesów odpowiadają białka
wiążące się do promotora powyżej (rzadziej poniżej) miejsca składania kompleksu polimerazy RNA nazywane
regulacyjnymi czynnikami transkrypcyjnymi
(elementami regulacyjnymi
trans
). Regulacyjne czynniki
transkrypcyjne rozpoznają krótkie sekwencje promotorowe nazywane
elementami regulacyjnymi
cis
. Wiążąc
się z nimi regulują kompleks polimerazy RNA (pozytywnie lub negatywnie) na zasadzie oddziaływań białko-
DNA lub białko-białko, poprzez zmiany stężenia regulacyjnych czynników transkrypcyjnych lub powinowactwa
do DNA. Znaczna większość regulacyjnych czynników transkrypcyjnych to
aktywatory
. Dodatkowymi
czynnikami aktywującymi lub hamującymi aktywność regulacyjnych czynników transkrypcyjnych mogą być
hormony (np. steroidowe), związki drobnocząsteczkowe (np. cAMP), jony (np. Ca
2+
) oraz peptydy lub białka.
Zestaw elementów regulacyjnych
cis
może być wspólny dla określonej grupy genów. Synergiczne
oddziaływania wielu regulacyjnych czynników transkrypcyjnych z promotorami genów danej grupy prowadzi
do specyficznego profilu ich ekspresji.
Zwykle region genu zawierający najwięcej miejsc wiązania regulacyjnych czynników transkrypcyjnych
mieści się w zakresie 200 - 400 bp powyżej miejsca inicjacji transkrypcji (+1). Dodatkowo, geny eukariotyczne
mogą zawierać
sekwencje wzmacniacza (ang.
enhancer
)
, które również są elementami regulacyjnymi
cis
, do
których wiążą się czynniki transkrypcyjne. Sekwencje te mogą występować w dowolnej lokalizacji (powyżej lub
poniżej) i odległości (nawet tysiące bp) względem miejsca inicjacji transkrypcji. U drożdży S.
cerevisiae
za
odpowiedniki wzmacniaczy wyższych
Eukaryota
uważa się sekwencje regulacyjne zwane
UAS
(ang.
Upstream
Struktura genu eukariotycznego
3
Activator Sequences),
choć z reguły lokują się one w pobliżu genu i działają jedynie z pozycji powyżej miejsca
inicjacji transkrypcji.
Poniższy rysunek obrazuje schematycznie przykładowe oddziaływania związane z regulacją
hipotetycznego ludzkiego genu jądrowego, transkrybowanego przez polimerazę RNA II.
Transkrypcyjne elementy regulacyjne
cis i trans
dla hipotetycznego ludzkiego jądrowego genu kodującego
białko (wg M. Minczuk, 2003, Rozprawa doktorska, ZGUW)
A.
Schemat regionu promotorowego oraz sekwencji wzmacniacza z zaznaczeniem elementów regulacyjnych
cis
.
B.
Schemat podstawowych interakcji zachodzących pomiędzy regulacyjnymi czynnikami transkrypcyjnymi
a kompleksem inicjacyjnym polimerazy RNA:
(i)
powszechne czynniki transkrypcyjne przyłączają się do elementów
cis
promotora i aktywują (rzadziej
hamują) transkrypcję,
(ii)
czynniki transkrypcyjne mogą być kompleksami, np. homo- lub heterodimerami i wiązać się do
palindromowych lub tandemowo powtórzonych sekwencji promotorowych,
(iii)
funkcja regulacyjna czynników transkrypcyjnych może być modyfikowana przez przyłączanie
drobnocząsteczkowych ligandów,
(iv)
kofaktory mogą pośredniczyć i wzmacniać aktywatorową funkcję czynników transkrypcyjnych na
drodze interakcji białko-białko,
(v)
regulacyjne elementy
cis
mogą współdziałać przez wzajemną stabilizację przy tworzeniu
kompleksów DNA-białko,
(vi)
sekwencje wzmacniacza, które mogą być umieszczone w dużej odległości od miejsca inicjacji
transkrypcji, aktywują transkrypcję po osiągnięciu odpowiedniej konformacji DNA, pozwalającej
na bezpośredni kontakt pomiędzy elementami regulatorowymi sekwencji wzmacniacza a
kompleksem inicjacyjnym polimerazy RNA.
Struktura genu eukariotycznego
4
Bardzo prostym i jednym z lepiej poznanych przykładów regulacji ekspresji genów eukariotycznych na
poziomie transkrypcji są
geny odpowiedzialne za wykorzystanie galaktozy u
S. cerevisiae
. Cały system
obejmuje 12 genów struktury i genów regulacyjnych, z których najważniejsze to:
Geny struktury
Geny regulacyjne
GAL1 - galaktokinaza,
GAL2 - permeaza galaktozy,
GAL7 - galaktotransferaza,
GAL10 - epimeraza UDP-gal
GAL4 - aktywator transkrypcji,
GAL80 - inhibitor aktywatora (represor?).
Ekspresja genów struktury jest indukowana przez galaktozę i reprymowana przez glukozę. Poniżej omówiona
zostanie pokrótce jedynie indukcja przez galaktozę.
Poziom podstawowy transkrypcji wymienionych genów struktury GAL jest praktycznie
niewykrywalny. Obecność galaktozy w podłożu przy jednoczesnym braku glukozy podnosi poziom transkrypcji
ponad 5000 razy. Centralnym czynnikiem regulacyjnym systemu jest
białko GAL4
. Ma ono 3 funkcje: (i)
oddziaływanie z DNA, (ii) aktywacja transkrypcji, (iii) oddziaływanie z białkiem GAL80. Domena wiążąca się z
DNA zlokalizowana jest na końcu N białka; domena aktywująca - na końcu C. Przy braku galaktozy białko
GAL4 jest związane z DNAlecz nie aktywuje transkrypcji ponieważ domena aktywująca jest zasłonięta przez
białko GAL80.
Obecność galaktozy odblokowuje GAL4: galaktoza wiąże GAL80 pełniąc funkcję
induktora
(ściślej - induktorem jest produkt oddziaływania białka GAL3 z galaktozą). GAL4 aktywuje transkrypcję.
W promotorach genów GAL1, GAL10 i GAL7 znajdują się
regiony UAS
G
. W przypadku genów
GAL1 i GAL10 położone są około 250 bp od miejsc inicjacji transkrypcji. Zawierają po 4 palindromowe
sekwencje o długości 17 bp, przy czym pojedyncza kopia palindromu jest wystarczająca do niemal pełnej
aktywacji. Sekwencja najwyższej zgodności dla pojedynczego palindromu to:
CGGA(c/g)GAC(A/T)GTC(g/c)TCCG
.
Struktura genu eukariotycznego
5
Potranskrypcyjne etapy ekspresji genów eukariotycznych
W odróżnieniu od
Prokaryota
większość genów eukariotycznych ma strukturę nieciągłą, co oznacza, że
obszary ulegające transkrypcji składają się z naprzemienne występujących
eksonów
i
intronów
. Sekwencje
intronowe nie wchodzą w skład funkcjonalnego mRNA – muszą zostać usunięte z pierwotnego transkryptu.
Ponadto
u Eukaryota
transkrypcja i translacja są rozdzielone w czasie i przestrzeni. Powstający w jądrze mRNA
jest transportowany do cytoplazmy i dopiero tam podlega translacji. W strukturze genu eukariotycznego muszą
zatem znajdować elementy warunkujące powstawanie dojrzałego mRNA, zapewniające jego stabilność i
zapewniające transport do cytoplazmy a także prawidłową translację.
Bezpośrednim produktem transkrypcji genu jest cząsteczka
prekursorowego mRNA (pre-mRNA).
Pre-mRNA zawiera introny, jest niestabilny i niezdolny do eksportu z jądra.
Cząsteczki
pre-mRNA podlegają
procesom
obróbki potranskrypcyjnej
(
dojrzewania
), na które składają się:
formowanie końca 5 '- dodanie
czapeczki
usuwanie intronów - składanie mRNA
(
ang.
splicing)
formowanie 3' końca - cięcie i poliadenylacja.
Czapeczkę
dodawaną do końców 5' pre-mRNA stanowi cząsteczka zmetylowanej guanozyny (7-mG)
dołączona do RNA poprzez trzy reszty fosforanowe. Dodanie czapeczki jest koniecznym warunkiem do
rozpoczęcia składania mRNA
,
czapeczka jest jednym z sygnałów eksportu mRNA z jądra, zabezpiecza mRNA
przed działaniem egzonukleaz, jest też niezbędna do prawidłowej inicjacji
translacji.
Składanie mRNA
jest bardzo skomplikowanym procesem, w którym introny są wycinane z RNA, a
sąsiadujące ze sobą eksony odpowiednio łączone. W proces ten zaangażowanych jest wiele
czynników
cis i
trans
.
Czynniki
cis
to charakterystyczne elementy w sekwencjach intronów oraz eksonów (na granicach z
intronami), czynniki
trans
to różnorodne kompleksy białko - RNA i białka, odpowiedzialne za rozpoznanie
intronów, katalizę reakcji składania mRNA
oraz jego regulację. Składanie mRNA jest procesem dwuetapowym:
W pierwszym etapie następuje przecięcie cząsteczki pre-mRNA na
granicy 5' ekson/intron
(ang.
5'
splice site
)
i wolny koniec 5' intronu zostaje jednocześnie połączony z jedną z zasad tzw.
regionu rozgałęzienia
Plik z chomika:
jiso
Inne pliki z tego folderu:
06 Genom eukariotyczny.pdf
(2418 KB)
Apoptoza.doc
(89 KB)
Biologia z genetyką - WYKŁADY.pdf
(49330 KB)
BK-CW-calosc-druk.doc
(191 KB)
cytoszkielet.doc
(99 KB)
Inne foldery tego chomika:
b
Wykłady Edyty
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin