przez ekspresję genów rozumiemy transkrypcję genu do mRNA i jego późniejszą translację do białka. Ekspresja genów jest kontrolowana przede wszystkim na poziomie transkrypcji, głównie w wyniku wiązania białek do określonych miejsc w DNA. W 1965 Francois Jacob, Jacques Monod i Andre Lwoff otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za pracę wspierającą ideę, że kontrola poziomów enzymów w komórkach jest regulowana przez transkrypcję DNA., występuje poprzez regulację transkrypcji, która może być wywołana lub stłumiona. Badacze ci zaproponowali, że produkcja enzymu jest kontrolowana przez „operon”, który składa się z szeregu powiązanych genów na chromosomie, składających się z operatora, promotora, genu regulującego i genów strukturalnych.

  • geny strukturalne zawierają kod produktów białkowych, które mają być wytwarzane. Regulacja produkcji białek jest w dużej mierze osiągana poprzez modulację dostępu polimerazy RNA do transkrybowanego genu strukturalnego.,
  • Gen promotora niczego nie koduje; jest to po prostu sekwencja DNA, która jest początkowym miejscem wiązania polimerazy RNA.
  • Gen operatora jest również niekodujący; jest to tylko sekwencja DNA, która jest miejscem wiązania dla represora.
  • Gen regulatora koduje syntezę cząsteczki represora, która wiąże się z operatorem i blokuje polimerazę RNA przed transkrypcją genów strukturalnych.

Gen operatora jest sekwencją DNA nie do transkrypcji, która jest miejscem wiązania represji., Istnieje również gen regulatora, który koduje syntezę cząsteczki represora Hat wiąże się z operatorem

  • przykład indukowanej transkrypcji: bakteria E. coli ma trzy geny kodujące enzymy, które umożliwiają jej podział i metabolizowanie laktozy (cukru w mleku). Promotor jest miejscem na DNA, w którym polimeraza RNA wiąże się w celu rozpoczęcia transkrypcji. Jednak enzymy są zwykle obecne w bardzo niskich stężeniach, ponieważ ich transkrypcja jest hamowana przez białko represyjne wytwarzane przez gen regulujący (patrz górna część rysunku poniżej)., Białko represyjne wiąże się z miejscem operatora i hamuje transkrypcję. Jeśli jednak laktoza jest obecna w środowisku, może wiązać się z białkiem represyjnym i inaktywować go, skutecznie usuwając blokadę i umożliwiając transkrypcję Posłańca RNA potrzebnego do syntezy tych genów (dolna część rysunku poniżej).

  • przykład represyjnej transkrypcji: E. coli potrzebują tryptofanu aminokwasowego, a DNA E. coli ma również geny do jego syntezy., Geny te na ogół transkrybują w sposób ciągły, ponieważ bakteria potrzebuje tryptofanu. Jeśli jednak stężenie tryptofanu jest wysokie, transkrypcja jest tłumiona (wyłączana) przez wiązanie się z białkiem represorowym i aktywowanie go, jak pokazano poniżej.

Kontrola ekspresji genów u eukariotów

komórki eukariotyczne mają podobne mechanizmy kontroli ekspresji genów, ale są bardziej złożone., Rozważ na przykład, że komórki prokariotyczne danego gatunku są takie same, ale większość eukariotów to organizmy wielokomórkowe z wieloma typami komórek, więc kontrola ekspresji genów jest znacznie bardziej skomplikowana. Nic dziwnego, że ekspresja genów w komórkach eukariotycznych jest kontrolowana przez szereg złożonych procesów, które podsumowano poniższą listą.

  • po zapłodnieniu komórki rozwijającego się zarodka stają się coraz bardziej wyspecjalizowane, głównie poprzez włączenie niektórych genów i wyłączenie wielu innych., Niektóre komórki trzustki, na przykład, są wyspecjalizowane do syntezy i wydzielania enzymów trawiennych, podczas gdy inne komórki trzustki (komórki β w wysepkach Langerhansa) są wyspecjalizowane do syntezy i wydzielania insuliny. Każdy typ komórki ma szczególny wzór wyrażonych genów. To różnicowanie do wyspecjalizowanych komórek następuje głównie w wyniku wyłączenia ekspresji większości genów w komórce; dojrzałe komórki mogą wykorzystywać tylko 3-5% genów obecnych w jądrze komórki.,
  • ekspresja genów u eukariotów może być również regulowana przez zmiany w pakowaniu DNA, które moduluje dostęp enzymów transkrypcyjnych komórki (np. polimeraza RNA) do DNA. Poniższa ilustracja pokazuje, że chromosomy mają złożoną strukturę. Helisa DNA jest owinięta wokół specjalnych białek zwanych histonami, a te są owinięte w ciasne włókna spiralne. Włókna te są następnie zapętlane i składane w coraz bardziej zwarte struktury, które po całkowitym zwinięciu i skondensowaniu nadają chromosomom charakterystyczny wygląd w metafazie.,

źródło: http://www.78stepshealth.us/plasma-membrane/eukaryotic-chromosomes.html

  • podobne do operonów opisanych powyżej dla prokariotów, eukaryotes także używać regulator proteiny Kontrola transkrybowanie, ale każdy eukaryotic Gen mieć swój własny zestaw kontrola. Ponadto, istnieje wiele więcej białek regulacyjnych w eukaryotes i interakcje są znacznie bardziej złożone.,
  • u eukariotów transkrypcja odbywa się w jądrze związanym z błoną, a początkowy transkrypt jest modyfikowany, zanim zostanie przetransportowany z jądra do cytoplazmy w celu translacji w rybosomie s. początkowy transkrypt u eukariotów ma segmenty kodujące (egzony) na przemian z niekodującymi segmentami (intronami)., Zanim mRNA opuści jądro, introny są usuwane z transkrypcji przez proces zwany splicingiem RNA (patrz grafika & wideo poniżej), a dodatkowe nukleotydy są dodawane do końców transkrypcji; te niekodujące „Czapki” i „ogony” chronią mRNA przed atakiem enzymów komórkowych i pomagają w rozpoznawaniu przez rybosomy.,

źródło: http://unmug.com/category/biology/organisation-control-of-genome/

  • zmienność długowieczności mRNA zapewnia kolejną możliwość kontroli ekspresji genów. MRNA prokariotyczne jest bardzo krótkotrwałe, ale eukariotyczne transkrypty mogą trwać godziny, a czasem nawet tygodnie(np mRNA dla hemoglobiny w czerwonych krwinkach ptaków).,
  • proces translacji daje dodatkowe możliwości regulacji przez wiele białek. Na przykład, translacja mRNA hemoglobiny jest hamowana, chyba że hem zawierający żelazo jest obecny w komórce.
  • istnieją również możliwości „posttranslacyjnej” kontroli ekspresji genów u eukariotów. Niektóre przetłumaczone polipeptydy (białka) są cięte przez enzymy na mniejsze, aktywne produkty końcowe. jak pokazano na poniższym rysunku, który przedstawia posttranslacyjne przetwarzanie hormonu insuliny., Insulina jest początkowo tłumaczona jako duży, nieaktywny prekursor; Sekwencja sygnału jest usuwana z głowicy prekursora, a duża centralna część (łańcuch C) jest odcinana, pozostawiając dwa mniejsze łańcuchy peptydowe, które są następnie połączone ze sobą mostkami dwusiarczkowymi.Mniejsza forma końcowa jest aktywną formą insuliny.

źródło:http://www.nbs.csudh.edu/chemistry/faculty/nsturm/CHE450/19_InsulinGlucagon.htm

  • ekspresja genu może być również modyfikowana przez rozkład białek które są produkowane., Na przykład niektóre enzymy zaangażowane w metabolizm komórkowy są rozkładane krótko po ich wyprodukowaniu; zapewnia to mechanizm szybkiego reagowania na zmieniające się zapotrzebowanie metaboliczne.
  • na ekspresję genów mogą mieć również wpływ sygnały z innych komórek. Istnieje wiele przykładów, w których cząsteczka sygnału (np. hormon) z jednej komórki wiąże się z białkiem receptora na komórce docelowej i inicjuje sekwencję zmian biochemicznych (szlak transdukcji sygnału), które powodują zmiany w komórce docelowej., Zmiany te mogą obejmować zwiększenie lub zmniejszenie transkrypcji, jak pokazano na rysunku poniżej.

  • system interferencji RNA (RNAi) jest kolejnym mechanizmem, za pomocą którego komórki kontrolują ekspresję genów poprzez wyłączenie translacji mRNA. RNAi może być również używany do zamykania translacji białek wirusowych, gdy komórka jest zakażona wirusem. System RNAi ma również potencjał do wykorzystania terapeutycznego.,

RNAi

niektóre wirusy RNA atakują komórki i wprowadzają dwuniciowe RNA, które wykorzystują maszynerię komórkową do tworzenia nowych kopii wirusowego RNA i białek wirusowych. System interferencji RNA komórki (RNAi) może zapobiegać replikacji wirusowego RNA. Po pierwsze, enzym nazywany „Dicer” rozcina każdy dwuniciowy RNA, który znajduje na kawałki o długości około 22 nukleotydów. Następnie kompleksy białkowe zwane RISC (RNA-induced Silencing Complex) wiążą się z fragmentami dwuniciowego RNA, wiatrują go, a następnie uwalniają jedną z nici, zachowując drugą., Kompleks RISC-RNA wiąże się następnie z dowolnym innym wirusowym RNA z sekwencjami nukleotydowymi odpowiadającymi sekwencjom RNA przyłączonym do kompleksu. Wiązanie to blokuje translację białek wirusowych przynajmniej częściowo, jeśli nie całkowicie. System RNAi może potencjalnie być używany do opracowania leczenia wadliwych genów, które powodują choroby. Leczenie polegałoby na stworzeniu dwuniciowego RNA z chorego genu i wprowadzeniu go do komórek w celu wyciszenia ekspresji tego genu., Aby uzyskać Ilustrowane Wyjaśnienie RNAi, zobacz krótki, interaktywny moduł Flash pod adresem http://www.pbs.org/wgbh/nova/body/rnai-explained.html

system interferencji RNA jest również bardziej szczegółowo wyjaśniony w poniższym filmie z filmu przyrodniczego.

powrót do góry | Poprzednia strona | Następna strona