Információ

S2019_Előadás_24_Olvasás - Biológia

S2019_Előadás_24_Olvasás - Biológia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Eukarióta génszabályozás

A szabályozás áttekintése

Amint azt korábban megjegyeztük, a szabályozás a döntéshozatalról szól. A génszabályozás, mint általános téma, a genetikai anyag funkcionális kifejeződésével kapcsolatos döntések meghozatalához kapcsolódik. Függetlenül attól, hogy a végtermék RNS-fajtáról vagy fehérjéről van szó, a végtermék előállításához több lépésből álló folyamatok szükségesek. Eltöltöttünk egy kis időt ezen lépések némelyikének (azaz a transzkripció és a transzláció), valamint néhány olyan mechanizmus megvitatásával, amelyeket a természet a sejtek és a környezeti információk érzékelésére használ a transzkripció megkezdésének szabályozására.

Amikor az erős és gyenge promoter fogalmát tárgyaltuk, bevezettük azt a gondolatot, hogy a promoterből bizonyos időegység alatt keletkező transzkriptum mennyiségének (molekulák számának) szabályozása is fontos lehet a működés szempontjából. Ez nem lehet teljesen meglepő. Egy fehérjét kódoló gén esetében minél több transzkriptum keletkezik, annál nagyobb a lehetőség több fehérje előállítására. Ez fontos lehet azokban az esetekben, amikor egy adott enzim sok előállítása kulcsfontosságú a túléléshez. Ezzel szemben más esetekben csak kevés fehérjére van szükség, és túl sok termelés a sejt erőforrásainak pazarlását jelentené. Ebben az esetben az alacsony szintű transzkripció előnyös lehet. A különböző erősségű támogatók képesek megfelelni ezeknek a különböző igényeknek. Az átiratok számával kapcsolatban röviden megemlítettük azt is, hogy nem a szintézis az egyetlen módja a bőség szabályozásának. A lebomlási folyamatokat is fontos figyelembe venni.

Ebben a részben ezeket a témákat egészítjük ki az eukarióta szabályozási folyamatokra összpontosítva. Konkrétan megvizsgálunk – és néha újra megvizsgálunk – néhány olyan lépést, amelyek a genetikai anyag eukarióta szervezetekben történő expresszálásához szükségesek a szabályozás összefüggésében. Azt akarjuk, hogy ne csak a folyamatokra gondoljon, hanem azt is felismerje, hogy az expressziós folyamat minden egyes lépése egyben lehetőség arra is, hogy ne csak egy transzkriptum vagy fehérje bőségét, hanem funkcionális állapotát, formáját (vagy változatát) is finomhangoljuk. és/vagy stabilitás. Ezen további tényezők mindegyike létfontosságú lehet a feltételesen specifikus funkcionális variánsok bőségének befolyásolásához.

A génszabályozást befolyásoló szerkezeti különbségek a bakteriális és eukarióta sejtek között

Az eukarióta sejt meghatározó ismertetőjele a sejtmag, egy kettős membrán, amely körülveszi a sejt örökítőanyagát. Annak érdekében, hogy a szervezet DNS-e hatékonyan illeszkedjen a sejtmag zárt terébe, a DNS-t először fehérje csomagolja és szervezi egy kromatin nevű szerkezetbe. A nukleáris anyag ilyen csomagolása csökkenti a kromatin bizonyos részeihez való hozzáférést. Valójában a DNS egyes elemei annyira szorosan össze vannak csomagolva, hogy a transzkripciós gépezet nem tud hozzáférni a szabályozó helyekhez, például a promóterekhez. Ez azt jelenti, hogy az eukarióták transzkripciós szabályozásának egyik első helye magának a DNS-hez való hozzáférés szabályozásának kell lennie. A kromatin fehérjéket enzimatikus módosítások érhetik, amelyek befolyásolhatják, hogy szorosan (korlátozott transzkripciós hozzáférés) vagy lazábban (nagyobb transzkripciós hozzáférés) kötődnek-e a DNS egy szegmenséhez. Ez a módosítási folyamat – amelyik irányt tekintjük először – visszafordítható. Ezért a DNS dinamikusan elkülöníthető és elérhetővé válik, amikor a „megfelelő idő”.

A génexpresszió szabályozása eukariótákban szintén magában foglalja a bakteriális szabályozásról szóló modulban tárgyalt további alapvető mechanizmusokat (pl. erős vagy gyenge promóterek, transzkripciós faktorok, terminátorok stb. alkalmazása), de az érintett fehérjék tényleges száma jellemzően sok. nagyobb az eukariótákban, mint a baktériumokban vagy az archaeákban.

Az RNS poszt-transzkripciós enzimatikus feldolgozása, amely a sejtmagban történik, és az érett mRNS exportja a citoszolba, két további különbség a bakteriális és az eukarióta génszabályozás között. Az alábbiakban részletesebben megvizsgáljuk ezt a szabályozási szintet.

A bakteriális és az eukarióta génexpressziós folyamatok néhány lényeges különbségének bemutatása. Ebben az esetben meg kell jegyezni a hiszton és hiszton módosítók jelenlétét, a pre-mRNS splicingjét és az érett RNS-nek a sejtmagból való exportálását, mint kulcsfontosságú különbségeket a bakteriális és eukarióta rendszerek között.
Forrás: Marc T. Facciotti (saját munka)

DNS-csomagolás és epigenetikai markerek

Az eukarióta sejtekben lévő DNS-t pontosan feltekerik, összehajtják és kromoszómákká tömörítik, hogy illeszkedjen a sejtmagba. Úgy is van megszervezve, hogy a kromoszómák meghatározott szegmensei könnyen hozzáférhessenek a sejt számára. A kromoszómák szorosabban tömörített területei nehezebben kötődnek a fehérjék számára, és ezért az ezeken a területeken kódolt gének csökkent génexpressziójához vezetnek. A genom lazán tömörített régióihoz könnyebben hozzáférhetnek a fehérjék, így megnő annak a valószínűsége, hogy a gén átíródik. Itt tárgyaljuk azokat a módokat, amelyekkel a sejtek szabályozzák a DNS-tömörítés sűrűségét.

DNS-csomagolás

A szerveződés első szintje a DNS-szálak körbetekerése hiszton fehérjék. A hisztonok a DNS-t az úgynevezett szerkezeti egységekre csomagolják és rendelik nukleoszómák, amely képes szabályozni a fehérjék hozzáférését meghatározott DNS-régiókhoz. Elektronmikroszkóp alatt a DNS-nek a hisztonfehérjék köré tekercselése nukleoszómákat képezve úgy néz ki, mint egy húron lévő kis gyöngyök. Ezek a gyöngyök (nukleoszómakomplexek) a húr (DNS) mentén mozoghatnak, hogy megváltoztassák a DNS mely területeit, amelyek hozzáférhetők a transzkripciós gépezet számára. Míg a nukleoszómák elmozdulhatnak, hogy felnyissák a kromoszóma szerkezetét, hogy felfedjék a DNS egy szegmensét, ezt nagyon ellenőrzött módon teszik.

A DNS-t a hisztonfehérjék köré hajtogatják, hogy (a) nukleoszóma komplexeket hozzon létre. Ezek a nukleoszómák szabályozzák a fehérjék hozzáférését a mögöttes DNS-hez. Elektronmikroszkóppal nézve (b) a nukleoszómák úgy néznek ki, mint egy húron lévő gyöngyök. (hitel „mikrográf”: Chris Woodcock művének módosítása)

Hiszton módosítás

A hisztonfehérjék mozgása a hisztonfehérjéken és a DNS-en található kémiai jelektől függ. Ezek a kémiai jelek a hisztonfehérjékhez és a DNS-hez hozzáadott kémiai címkék, amelyek megmondják a hisztonoknak, hogy egy kromoszómális régiónak „nyitottnak” vagy „zártnak” kell lennie. Az alábbi ábra a hisztonfehérjék és a DNS módosításait mutatja be. Ezek a címkék nem állandóak, de szükség szerint hozzáadhatók vagy eltávolíthatók. Ezek kémiai módosítások (foszfát-, metil- vagy acetilcsoportok), amelyek a hisztonfehérjékben vagy a DNS nukleotidjaiban található specifikus aminosavakhoz kapcsolódnak. A címkék nem változtatják meg a DNS bázisszekvenciáját, de megváltoztatják azt, hogy a DNS milyen szorosan van a hisztonfehérjék körül. A DNS egy negatív töltésű molekula; ezért a hiszton töltésének változásai megváltoztatják azt, hogy a DNS-molekula mennyire lesz sebezve. Módosítatlan állapotban a hisztonfehérjék nagy pozitív töltéssel rendelkeznek; kémiai módosítások, például acetilcsoportok hozzáadásával a töltés kevésbé lesz pozitív.

A nukleoszómák elcsúszhatnak a DNS mentén. Ha a nukleoszómák szorosan egymás mellett helyezkednek el (felül), a transzkripciós faktorok nem tudnak kötődni, és a génexpresszió ki van kapcsolva. Amikor a nukleoszómák egymástól távol helyezkednek el (alul), a DNS szabaddá válik. A transzkripciós faktorok kötődhetnek, lehetővé téve a génexpresszió létrejöttét. A hisztonok és a DNS módosításai befolyásolják a nukleoszóma távolságot.

Javasolt vita

Miért van a hisztonfehérjéknek általában nagy mennyiségű pozitív töltése (a hisztonok nagyszámú lizin aminosavat tartalmaznak). A pozitív töltések eltávolítása a hiszton-DNS kölcsönhatás fellazulását okozza?

Javasolt vita

Jósolja meg a hisztonok állapotát a genom azon területein, amelyek rendszeresen átíródnak. Miben különböznek ezek azoktól a területektől, ahol nem tapasztalható magas szintű átírás?

DNS módosítás

Maga a DNS-molekula is módosítható. Ez nagyon specifikus régiókban, az úgynevezett CpG-szigeteken fordul elő. Ezek olyan szakaszok, amelyekben gyakran előfordulnak citozin és guanin-dinukleotid DNS-párok (CG), amelyek gyakran megtalálhatók a gének promoter régióiban. Ha ez a konfiguráció létezik, a pár citozin tagja metilálható (egy metilcsoportot adunk hozzá). Ez a módosítás megváltoztatja a DNS és a fehérjék közötti kölcsönhatást, beleértve a régióhoz való hozzáférést szabályozó hisztonfehérjéket is. A deacetilált hisztonokat tartalmazó, erősen metilált (hipermetilált) DNS-régiók szorosan feltekerednek és transzkripciósan inaktívak.

Az epigenetikai változások nem eredményeznek tartós változást a DNS-szekvenciában. Az epigenetikai változások megváltoztatják a kromatin szerkezetét (fehérje-DNS komplex), lehetővé téve vagy megtagadva a hozzáférést a gének átírásához. A DNS módosítása, mint például a citozin nukleotidokon történő metiláció, vagy olyan represszor fehérjéket toborozhat, amelyek blokkolják az RNS-polimeráz hozzáférését egy gén átírásához, vagy segíthetnek a DNS tömörítésében, hogy megakadályozzák az összes fehérje hozzáférését a genom adott területéhez. Ezek a változások reverzibilisek, míg a mutációk nem, azonban a kromoszóma epigenetikai változásai is örökölhetők.
Forrás: módosítva innen: https://researcherblogski.wordpress....r/dudiwarsito/

A génexpresszió kromatin-átalakításon keresztül történő szabályozását epigenetikai szabályozásnak nevezzük. Az epigenetika azt jelenti, hogy „a genetika körül”. A hisztonfehérjékben és a DNS-ben bekövetkező változások nem változtatják meg a nukleotidszekvenciát, és nem állandóak. Ehelyett ezek a változások átmenetiek (bár gyakran a sejtosztódás több fordulóján keresztül is fennmaradnak, és örökölhetők), és szükség szerint megváltoztatják a kromoszóma szerkezetét (nyitott vagy zárt).

Külső hivatkozás

Tekintse meg ezt a videót, amely leírja, hogy az epigenetikai szabályozás hogyan szabályozza a génexpressziót.

Eukarióta génszerkezet és RNS feldolgozás

Eukarióta génszerkezet

Számos eukarióta gén, különösen azok, amelyek fehérjetermékeket kódolnak, kódolódik a genomban szakaszosan. Vagyis a kódoló régiót darabokra törik a beavatkozó nem kódoló génelemek. A kódoló régiókat nevezzük exonok míg a közbeeső nem kódoló elemeket nevezzük intronok. Az alábbi ábra egy általános eukarióta gént ábrázol.

Egy tipikus nem folytonos eukarióta gén részei. Forrás: Marc T. Facciotti (saját munka)

Az általános eukarióta gén részei olyan ismerős elemeket tartalmaznak, mint a promoter és a terminátor. E két elem között a gén összes olyan elemét kódoló régiót, amely potenciálisan transzlálható (nincs stopkodonjuk), mint a bakteriális rendszerekben, nyílt leolvasási keretnek (ORF) nevezzük. Az enhancer és/vagy hangtompító elemek a DNS azon régiói, amelyek a szabályozó fehérjék toborzására szolgálnak. Ezek lehetnek viszonylag közel a promoterhez, mint például a bakteriális rendszerekben, vagy több ezer nukleotid távolságra. Számos bakteriális transzkriptumban is jelen vannak, 5' és 3' nem transzlált régiók (UTR) is léteznek. A gén ezen régiói a transzkriptum szegmenseit kódolják, amelyek, ahogy a nevük is sugallja, nem fordítódnak le, és az ORF-hez képest 5', illetve 3' irányban helyezkednek el. Az UTR-ek jellemzően olyan szabályozóelemeket kódolnak, amelyek kritikusak a transzkripció szabályozásához vagy a génexpressziós lépésekhez, amelyek a transzkripció után következnek be.

Az ezeknek a géneknek a transzkripciójából származó RNS-fajták szintén nem folytonosak, ezért azokat a sejtmagból való kilépés előtt fel kell dolgozni, hogy lefordítsák vagy a citoszolban érett RNS-ként használják fel. Az eukarióta rendszerekben ez magában foglalja az RNS-splicinget, az 5'-sapkát, a 3'-vég hasítását és a poliadenilációt. Ez a lépéssorozat egy összetett molekuláris folyamat, amelynek az atommag zárt határain belül kell végbemennie. Ezen lépések mindegyike lehetőséget ad az exportált átiratok bőségének és az átiratok funkcionális formáinak szabályozására. Bár ezek a magasabb szintű kurzusok témái lennének, gondolja át, hogyan lehetne a következő témák közül néhányat a genetikai szabályozás tervezési kihívásának részproblémájaként beállítani. Ha mást nem is, kezdje el értékelni azt az erősen hangszerelt molekuláris táncot, amelynek meg kell történnie egy gén kifejeződéséhez, és hogy ez az evolúciós tervezés lenyűgöző darabja.

5' sapkázás

A bakteriális rendszerekhez hasonlóan az eukarióta rendszereknek egy pre-iniciációs komplexet kell összeállítaniuk a promoterszekvenciánál és a körül, hogy elindítsák a transzkripciót. Az eukariótákban összeálló komplexek ugyanazt a funkciót látják el, mint a bakteriális rendszerekben, de lényegesen összetettebbek, és sokkal több szabályozó fehérjét tartalmaznak. Ez a megnövekedett összetettség nagyobb fokú szabályozást tesz lehetővé, és olyan fehérjék összeállítását teszi lehetővé, amelyek funkciói túlnyomórészt eukarióta rendszerekben fordulnak elő. Az egyik ilyen kiegészítő funkció a születőben lévő átiratok "lezárása".

Az eukarióta fehérjét kódoló génekben az elsőként termelődő RNS-t pre-mRNS-nek nevezik. Az "elő" előtag azt jelenti, hogy ez nem a teljes érett mRNS, amelyet lefordítanak, és először némi feldolgozást igényel. Az 5'-sapkaként ismert módosulás azután következik be, hogy a pre-mRNS körülbelül 20-30 nukleotid hosszúságú. Ezen a ponton a pre-RNS tipikusan megkapja az első transzkripció utáni módosítást, egy 5'-sapkát. A „sapka” egy kémiai módosítás – egy 7-metil-guanozin –, amelynek a transzkriptum 5'-végéhez való hozzáadását több enzim katalizálja, az úgynevezett capping enzim complex (CEC) több enzim csoportja, amelyek egymást követő lépéseket hajtanak végre hozzáadva az 5'-sapkát. A CEC a transzkripció nagyon korai szakaszában kötődik az RNS-polimerázhoz, és végrehajtja az 5'-trifoszfát módosítását, majd a GTP-n keresztül történő átvitelét erre a célra (a két nukleotidot egyedi 5'-5'-kötéssel köti össze), az újonnan átvitt guanin metilációját, és egyes átiratokban az első néhány nukleotid további módosításait. Úgy tűnik, hogy ez az 5'-sapka úgy működik, hogy megvédi a kialakuló transzkriptumot a lebomlástól, és gyorsan megköti a cap-binding complex (CBC) néven ismert RNS-kötő fehérjékkel. Van némi bizonyíték arra, hogy ez a módosítás és a hozzá kötött fehérjék szerepet játszanak a transzkriptum megcélzásában a magból történő exportáláshoz. A születőben lévő RNS védelme a lebomlástól nemcsak a transzkriptum létrehozásába fektetett energia megőrzése szempontjából fontos, hanem egyértelműen részt vesz a teljesen működőképes transzkriptum mennyiségének szabályozásában is. Ezen túlmenően az 5'-sapka szerepe a transzkriptum exportálási irányításában közvetlenül segít szabályozni nem csak az elkészített átirat mennyiségét, hanem ami talán még fontosabb, a potenciális citoplazmába exportált transzkriptum mennyiségét is. le kell fordítani.

Egy tipikus 7-metil-guanilát sapka szerkezete. Facciotti (saját munka)

Átirat splicing

A születőben lévő transzkriptumokat érett RNS-ekké kell feldolgozni exonok összekapcsolásával és a közbeeső intronok eltávolításával. Ezt az RNS és fehérjék többkomponensű komplexe, az úgynevezett spliceosome valósítja meg. A spliceoszóma komplex a születőben lévő átiraton áll össze, és sok esetben ezen a ponton születnek meg a döntések arról, hogy mely intronokat egyesítsék érett transzkriptummá. A döntések meghozatalának módja még mindig nem teljesen ismert, de magában foglalja a splicing helyeken lévő specifikus DNS-szekvenciák RNS- és fehérjefajok általi felismerését, valamint számos katalitikus eseményt. Érdekes megjegyezni, hogy a spliceoszóma katalitikus része RNS-ből, nem pedig fehérjéből áll. Emlékezzünk vissza, hogy a riboszóma egy másik példa az RNS-protein komplexre, ahol az RNS elsődleges katalitikus komponensként szolgál. A splice variáns kiválasztása a génexpresszió szabályozásának egyik formája. Ebben az esetben ahelyett, hogy egyszerűen befolyásolná az átirat bőségét, az alternatív splicing lehetővé teszi a sejt számára, hogy döntéseket hozzon arról, hogy az átirat melyik formáját hozza létre.

A gének alternatív splice formáit, amelyek rokon szerkezetű, de eltérő funkciójú fehérjetermékeket eredményeznek, ún. izoformák. Az izoformák létrehozása gyakori az eukarióta rendszerekben, és köztudottan fontos a többsejtű szervezetek fejlődésének különböző szakaszaiban, valamint a különböző sejttípusok funkcióinak meghatározásában. Azzal, hogy egyetlen génből több lehetséges génterméket kódol, amelynek transzkripciós iniciációját egyetlen transzkripciós szabályozó hely kódolja (azzal, hogy eldönti, hogy melyik végterméket állítsa elő transzkripció után), szükségtelenné válik az egyes génekről független másolatok létrehozása és fenntartása. a genom különböző részei és a fejlődő független szabályozó helyek. Ezért az a képesség, hogy egyetlen kódoló régióból több izoformát képezzünk, evolúciós szempontból előnyös, mivel lehetővé teszi a DNS-kódolás bizonyos hatékonyságát, minimalizálja a transzkripciós szabályozási komplexitást, és csökkentheti a több DNS fenntartásának és a mutáció elleni védelmének energiaterhét. Néhány példa az alternatív splicing lehetséges kimenetelére: különböző szubsztrát-affinitással vagy katalitikus sebességgel rendelkező enzimváltozatok létrehozása; a fehérjéket különböző szubcelluláris kompartmentekbe célzó szignálszekvenciák megváltoztathatók; teljesen új funkciókat lehet létrehozni a fehérjedomének felcserélésével. Ez csak néhány példa.

Az alternatív splicing további érdekes eredménye a stopkodonok bevezetése, amelyek egy olyan mechanizmuson keresztül, amely úgy tűnik, hogy fordítást igényel, a transzkriptum célzott lebomlásához vezethet. Ez azt jelenti, hogy a transzkripciós iniciáció és az 5'-sapka szabályozása mellett az alternatív splicing is az egyik olyan szabályozó mechanizmusnak tekinthető, amely befolyásolhatja a transzkriptum abundanciáját. Az alternatív splicing hatásai ezért potenciálisan széles körűek – a funkció teljes elvesztésétől az új és változatos funkción át a szabályozó hatásokig.

Egy ábra, amely az alternatív splicing néhány különböző módját mutatja be, bemutatva, hogy a különböző illesztési változatok hogyan vezethetnek különböző fehérjeformákhoz.
Forrás: Marc T. Facciotti (saját munka)

3'-végi hasítás és poliadenilezés

Egy utolsó módosítást hajtanak végre a születőben lévő pre-mRNS-eken, mielőtt azok elhagynák a sejtmagot – a 3'-vég hasítása és poliadenilációja. Ezt a kétlépéses folyamatot két különböző enzim katalizálja (lásd alább), és akár közel 200 nukleotiddal díszítheti a transzkriptumok 3' végét. Ez a módosítás növeli az átirat stabilitását. Általában minél több mint a polyA címkében, annál hosszabb az átirat élettartama. Úgy tűnik, hogy a polyA címke szerepet játszik a transzkriptum sejtmagból történő exportálásában is. Ezért a 3'-poliA tag szerepet játszik a génexpresszióban azáltal, hogy szabályozza a funkcionális transzkriptumot, és azt, hogy mennyi exportálódik a sejtmagból a transzlációhoz.

A nukleáris export előtt az átiratok 3'-végeinek módosítása egy kétlépéses folyamat. Ezek közé tartozik a transzkriptumok levágása közvetlenül egy konzervált szekvenciától (AAUAAA) lefelé, és az adenilátcsoportok átvitele. Mindkét folyamat enzimatikusan katalizált.
Forrás: Marc T. Facciotti (saját munka)

MikroRNS-ek

RNS stabilitás és mikroRNS-ek

A pre-RNS fent leírt módosulásain és a kapcsolódó fehérjéken kívül, amelyek a születőben lévő és a transzkriptumokhoz kötődnek, más tényezők is befolyásolhatják az RNS stabilitását a sejtben. Ilyen például a mikroRNS-nek nevezett elemek. A mikroRNS-ek vagy miRNS-ek rövid RNS-molekulák, amelyek mindössze 21-24 nukleotid hosszúak. A miRNS-ek a sejtmagban hosszabb pre-miRNS-ekként íródnak át. Ezeket a pre-miRNS-eket ezután érett miRNS-ekké aprítja a dicer nevű fehérje. Ezek az érett miRNS-ek komplementer bázispárosítás révén felismerik a cél RNS egy specifikus szekvenciáját. A miRNS-ek azonban egy ribonukleoprotein komplexhez is társulnak, amelyet RNS-indukált csendesítő komplexnek (RISC) neveznek. A RISC megköti a cél-mRNS-t a miRNS-sel együtt, hogy lebontja a cél-mRNS-t. A miRNS-ek és a RISC komplex együttesen gyorsan elpusztítják az RNS-molekulát. Ahogy az várható volt, a pre-miRNS-ek transzkripciója és későbbi feldolgozása is szigorúan szabályozott.

Nukleáris export

Nukleáris export

A teljesen feldolgozott, érett átiratokat a magon keresztül kell exportálni. Nem meglepő módon ez a folyamat magában foglalja egy érett RNS fajok koordinációját, amelyekhez számos járulékos fehérje kötődik – amelyek közül néhány szorosan részt vett a fent tárgyalt módosításokban – és egy fehérjekomplex, az úgynevezett. nukleáris pórus komplex (NPC). Az NPC-n keresztül történő szállítás lehetővé teszi a fehérjék és az RNS-fajok áramlását mindkét irányba, és számos fehérje közvetíti. Ez a folyamat felhasználható különféle transzkriptumok szállításának szelektív szabályozására attól függően, hogy mely fehérjék társulnak a kérdéses transzkriptumhoz. Ez azt jelenti, hogy nem minden transzkriptumot kezel egyformán az NPC – a módosulási állapottól és az RNS egy adott fajtájához kapcsolódó fehérjéktől függően többé-kevésbé hatékonyan mozgatható át a nukleáris membránon. Mivel a póruson áthaladó mozgás sebessége befolyásolja az érett transzkriptum bőségét, amely a citoszolba exportálódik a transzláció céljából, az exportszabályozás egy másik példa a génszabályozás folyamatában egy olyan lépésre, amely módosítható. Ezenkívül a közelmúltban végzett kutatások az NPC és a transzkripciós faktorok közötti kölcsönhatásokat vonták be a transzkripció iniciációjának szabályozásába, valószínűleg valamilyen mechanizmus révén, amellyel a transzkripciós faktorok a nukleáris pórusokhoz kötődnek. Ez az utolsó példa bemutatja, hogy a génexpresszió szabályozása mennyire összefügg ennek az összetett folyamatnak a több lépésében.

A fent leírt folyamatok számos további részlete bizonyos részletszinten ismert, de sok további kérdés vár még megválaszolásra. A Bis2a érdekében elegendő, ha elkezdjük modellezni azokat a lépéseket, amelyek az érett transzkriptum előállításában eukarióta szervezetekben fordulnak elő. Nagyon nagy vonalakban festettünk egy képet, megpróbálva egy olyan jelenetet bemutatni, amely tükrözi azt, ami általában minden eukarióta esetében történik. Az eukarióta génszabályozás kulcsfontosságú megkülönböztető jellemzőinek megismerése mellett azt is szeretnénk, ha a Bis2a tanulók elkezdenének úgy gondolni ezekre a lépésekre, mint arra a lehetőségre, hogy a természet valamilyen módon szabályozza a génexpressziót, és képes legyen racionalizálni a hiányosságok vagy változások mikéntjét. ezekben az útvonalakban - potenciálisan mutáció útján - befolyásolhatják a génexpressziót.

Bár itt nem hoztuk fel kifejezetten a Design Challenge-t vagy az Energy Story-t, ezek a formalizmusok egyformán ügyesek abban, hogy segítsenek megérteni a leírtakat. Javasoljuk, hogy próbáljon meg energiatörténetet készíteni különféle folyamatokhoz. Azt is javasoljuk, hogy használja a Design Challenge rubrikát a fenti történetek újravizsgálására: azonosítsa a megoldást igénylő problémákat; lehetséges megoldásokat és a siker kritériumait feltételezni. Használja az ottani formalizmusokat, hogy mélyebbre ásson és új kérdéseket tegyen fel / új problémákat azonosítson, vagy olyan dolgokat, amelyeket nem tud a folyamatokról, amit a szakértők tesznek. Valószínű, hogy ennek a javasolt gyakorlatnak a végrehajtása rávezeti Önt arra, hogy azonosítsa azt a kutatási irányt, amelyet valaki már követett (nagyon okosnak fogja érezni magát!). Alternatív megoldásként felvethet egy teljesen új kérdést, amelyre még senki sem gondolt.

A fehérjebőség szabályozása

Miután az mRNS a citoplazmába transzportált, fehérjévé alakul. Ennek a folyamatnak a szabályozása nagymértékben az RNS-molekulától függ. Amint azt korábban tárgyaltuk, az RNS stabilitása nagy hatással lesz fehérjévé való transzlációjára. A stabilitás változásával a fordításhoz rendelkezésre álló idő is változik.

Az iniciációs komplexum és a fordítási sebesség

A transzkripcióhoz hasonlóan a transzlációt is fehérjékből és nukleinsavakból álló komplexek szabályozzák, amelyeknek kapcsolódniuk kell a folyamat elindításához. A fordításban az egyik első komplexet, amelynek össze kell állnia a folyamat elindításához, iniciációs komplexumnak nevezik. Az első fehérjét, amely az mRNS-hez kötődik, és segít elindítani a transzlációt, eukarióta iniciációs faktor-2-nek (eIF-2) nevezik. Az eIF-2 fehérje aktivitását több tényező szabályozza. Az első az, hogy kötődik-e egy GTP-molekulához vagy sem. Ha az eIF-2 GTP-hez kötődik, akkor aktív formában van. A GTP-hez kötött eIF-2 fehérje kötődhet a kis 40S riboszomális alegységhez. Amikor megkötődik, az eIF-2/40S riboszóma komplex, magával hozva a transzlálandó mRNS-t, a metionin iniciátor tRNS asszociációit is toborozza. Ezen a ponton, amikor az iniciátorkomplexet összeállítják, a GTP GDP-vé hidrolizálódik, létrehozva az eIF-2 inaktív formáját, amely a szervetlen foszfáttal együtt felszabadul a komplexből. Ez a lépés viszont lehetővé teszi a nagy 60S-t. riboszomális alegység kötődik az RNS-hez, és megkezdi az RNS transzlációját. Az eIF-2 RNS-hez való kötődését a fehérje foszforilációja tovább szabályozza. Amikor az eIF-2 foszforilálódik, konformációs változáson megy keresztül, és nem tud kötődni a GTP-hez, így gátolja az iniciációs komplex kialakulását - a transzláció ezért gátolt (lásd az alábbi ábrát) Defoszforilált állapotban az eIF-2 képes megkötni a GTP-t és lehetővé teszi a transzlációs iniciációs komplex összeállítását a fent leírtak szerint.A sejt tehát képes a transzlációs meghívó komplex összeállítását hangolni A szabályozó fehérjék reverzibilis kémiai módosítása (foszforilációja) egy másik példa arra, hogy a Természet miként használta ki még ezt a látszólag egyszerű lépést is a génexpresszió hangolására.

Az eIF-2 foszforilációs szintjének emelkedését figyelték meg olyan neurodegeneratív betegségekben, mint az Alzheimer-kór, a Parkinson-kór és a Huntington-kór. Mit gondol, milyen hatással lehet ez a fehérjeszintézisre?

Kémiai módosítások, fehérjeaktivitás és hosszú élettartam

A nukleinsavak elkerülése érdekében a fehérjék kémiailag is módosíthatók metil-, foszfát-, acetil- és ubiquitin-csoportok hozzáadásával. Ezeknek a csoportoknak a fehérjékből való hozzáadása vagy eltávolítása szabályozhatja azok aktivitását vagy a sejtben való jelenlétük hosszát. Néha ezek a módosítások szabályozhatják, hogy a fehérje hol található a sejtben – például a sejtmagban, a citoplazmában vagy a plazmamembránhoz kötődően.

Kémiai módosulások fordulhatnak elő külső ingerekre, például stresszre, tápanyaghiányra, hőre vagy ultraibolya fényre adott válaszként. Amellett, hogy maguk a fehérjék működését szabályozzák, ha ezek a változások specifikus fehérjéken jelentkeznek, megváltoztathatják az epigenetikai hozzáférhetőséget (hiszton módosítás esetén), a transzkripciót (transzkripciós faktorok), az mRNS stabilitását (RNS-kötő fehérjék) vagy a transzlációt (eIF). -2) így visszacsatolják és szabályozzák a génexpresszió folyamatának különböző részeit. Szabályozó fehérjék módosítása esetén ez hatékony módja lehet a sejtnek, hogy a folyamat különböző lépéseinek szabályozásával gyorsan megváltoztassa a specifikus fehérjék szintjét a környezet hatására.

Az ubiquitin-csoport hozzáadásának egy másik funkciója is van - ez jelzi a fehérjét a lebontásra. Az ubiquitin egy kis molekula, amely zászlóként működik, jelezve, hogy a megjelölt fehérjéket a proteaszómának nevezett organellumra kell célozni. Ez az organellum egy nagy, több fehérjét tartalmazó komplex, amely a fehérjéket kisebb darabokra hasítja, amelyek aztán újrahasznosíthatók. Az ubiquitináció (ubiquitin tag hozzáadása) ezért segít a génexpresszió szabályozásában azáltal, hogy megváltoztatja a fehérjetermék funkcionális élettartamát.

Az ubiquitin címkékkel ellátott fehérjék a proteaszómán belüli lebomlásra vannak jelölve.

Összefoglalva, azt látjuk, hogy a génszabályozás összetett, és egy funkcionális géntermék expressziós folyamatának minden lépésében módosítható. Ezen túlmenően az egyes lépésekben előforduló szabályozó elemek a génexpresszió folyamatának korábbi és későbbi szakaszaiban is hatással lehetnek más szabályozó lépésekre (azaz egy transzkripciós faktor kémiai megváltoztatásának folyamata sok lépéssel korábban befolyásolhatja saját transzkripciójának szabályozását). folyamat). Ezek az összetett kölcsönhatások úgynevezett génszabályozó hálózatokat alkotnak. E hálózatok szerkezetének és dinamikájának megértése kritikus fontosságú annak megértéséhez, hogy a különböző sejtek hogyan működnek, számos betegség, fejlődési folyamat alapja, és hogy a sejtek hogyan hoznak döntéseket arról, hogyan reagáljanak a számos külső és belső változásban lévő tényezőre.

Mutációk

A DNS-replikáció során fellépő hibák nem az egyetlen módja annak, hogy mutációk keletkezzenek a DNS-ben. A DNS fizikai károsodása miatt is előfordulhatnak mutációk, variációk a genom nukleotidszekvenciájában. Az ilyen mutációk kétféleek lehetnek: indukált vagy spontán. Indukált mutációk azok, amelyek vegyi anyagoknak, UV-sugárzásnak, röntgensugaraknak vagy más környezeti hatásoknak való kitettségből származnak. Spontán mutációk anélkül, hogy bármilyen környezeti tényezőnek lenne kitéve; a sejten belül lejátszódó spontán biokémiai reakciók eredményei.

A mutációknak sokféle hatása lehet. Egyes mutációk nem fejeződnek ki; ezek az úgynevezett csendes mutációk. Pontmutációk azok a mutációk, amelyek egyetlen bázispárt érintenek. A leggyakoribb nukleotidmutációk a szubsztitúciók, amelyek során az egyik bázist egy másik helyettesíti. Ezek kétféleek lehetnek, átmenetek vagy transzverziók. Átmeneti helyettesítés egy purint vagy pirimidint azonos típusú bázissal helyettesített; például egy purint, mint például az adenint, helyettesíthetjük purin-guaninnal. Transzverziós helyettesítés egy purint pirimidinnel helyettesített, vagy fordítva; például a citozint, amely egy pirimidin, helyettesíti adenin, egy purin. A mutációk egy nukleotid hozzáadásának (inszerciónak) vagy egy bázis eltávolításának, más néven deléciónak az eredménye is lehet. Előfordulhat, hogy az egyik kromoszómából származó DNS-darab áthelyeződik egy másik kromoszómába vagy ugyanazon kromoszóma másik régiójába; ezt transzlokációnak nevezik.

Amint azt később meglátogatjuk, ha egy mutáció egy fehérjét kódoló régióban fellép, annak számos hatása lehet. Az átmeneti vagy transzverziós mutánsok nem vezethetnek változáshoz a fehérjeszekvenciában (az úgynevezett csendes mutációk), módosítsa az aminosav-szekvenciát (más néven missense mutációk), vagy hozzon létre egy úgynevezett stopkodont (a nonszensz mutáció). A fehérjét kódoló szekvenciákba történő inszerciók és deléciók az ún kereteltolásos mutációk. Missense mutációk, amelyek ahhoz vezetnek konzervatív változtatások hasonló, de nem azonos aminosavak helyettesítését eredményezi. Például a savas aminosav glutamát helyett a savas aminosav aszpartát konzervatívnak tekinthető. Általában nem számítunk arra, hogy az ilyen típusú missense mutációk olyan súlyosak, mint a nem konzervatív aminosav változás; mint például a valint helyettesítő glutamát. A funkcionális csoportok kémiájára vonatkozó ismereteink alapján helyesen következtethetünk arra, hogy az ilyen típusú helyettesítés súlyos funkcionális következményekhez vezethet, a mutáció helyétől függően.

Megjegyzés: Szókincs figyelése

Vegye figyelembe, hogy az előző bekezdésben sok potenciálisan új szókincs volt – jó ötlet lenne megtanulni ezeket a kifejezéseket.

1.ábra. Mutations can lead to changes in the protein sequence encoded by the DNA.

Suggested discussion

Based on your understanding of protein structure, which regions of a protein would you think are more sensitive to substitutions, even conserved amino acid substitutions? Miért?

Suggested discussion

A insertion mutation that results in the insertion of three nucleotides is often less deleterious than a mutation that results in the insertion of one nucleotide. Miért?

Mutations: Some nomenclature and considerations

Mutation

Etymologically speaking, the term mutation simply means a change or alteration. In genetics, a mutation is a change in the genetic material - DNA sequence - of an organism. By extension, a mutant is the organism in which a mutation has occurred. But what is the change compared to? The answer to this question, is that it depends. The comparison can be made with the direct progenitor (cell or organism) or to patterns seen in a population of the organism in question. It mostly depends on the specific context of the discussion. Since genetic studies often look at a population (or key subpopulations) of individuals we begin by describing the term "wild-type".

Wild Type vs Mutant

What do we mean by "wild type"? Since the definition can depend on context, this concept is not entirely straightforward. Here are a few examples of definitions you may run into:

Possible meanings of "wild-type"

  1. An organism having an appearance that is characteristic of the species in a natural breeding population (i.e. a cheetah's spots and tear-like dark streaks that extend from the eyes to the mouth).
  2. The form or forms of a gene most commonly occurring in nature in a given species.
  3. A phenotype, genotype, or gene that predominates in a natural population of organisms or strain of organisms in contrast to that of natural or laboratory mutant forms.
  4. The normal, as opposed to the mutant, gene or allele.

The common thread to all of the definitions listed above is based on the "norm" for a set of characteristics with respect to a specific trait compared to the overall population. In the "Pre-DNA sequencing Age" species were classified based on common phenotypes (what they looked like, where they lived, how they behaved, etc.). A "norm" was established for the species in question. For example, Crows display a common set of characteristics, they are large, black birds that live in specific regions, eat certain types of food and behave in a certain characteristic way. If we see one, we know its a crow based on these characteristics. If we saw one with a white head, we would think that either it is a different bird (not a crow) or a mutant, a crow that has some alteration from the norm or wild type.

In this class we take what is common about those varying definitions and adopt the idea that "wild type" is simply a reference standard against which we can compare members of a population.

Suggested discussion

If you were assigning wild type traits to describe a dog, what would they be? What is the difference between a mutant trait and variation of a trait in a population of dogs? Is there a wild type for a dog that we could use as a standard? How would we begin to think about this concept with respect to dogs?

2. ábra. Mutations can lead to changes in the protein sequence encoded by the DNA that then impact the outward appearance of the organism.
(Forrás)

Mutations are simply changes from the "wild type", reference or parental sequence for an organism. While the term "mutation" has colloquially negative connotations we must remember that change is neither inherently "bad". Indeed, mutations (changes in sequences) should not primarily be thought of as "bad" or "good", but rather simply as changes and a source of genetic and phenotypic diversity on which evolution by natural selection can occur. Natural selection ultimately determines the long-term fate of mutations. If the mutation confers a selective advantage to the organism, the mutation will be selected and may eventually become very common in the population. Conversely, if the mutation is deleterious, natural selection will ensure that the mutation will be lost from the population. If the mutation is neutral, that is it neither provides a selective advantage or disadvantage, then it may persist in the population. Different forms of a gene, including those associated with "wild type" and respective mutants, in a population are termed allélek.

Consequences of Mutations

For an individual, the consequence of mutations may mean little or it may mean life or death. Some deleterious mutations are null vagy knock-out mutations which result in a loss of function of the gene product. These mutations can arise by a deletion of the either the entire gene, a portion of the gene, or by a point mutation in a critical region of the gene that renders the gene product non-functional. These types of mutations are also referred to as loss-of-function mutations. Alternatively, mutations may lead to a modification of an existing function (i.e. the mutation may change the catalytic efficiency of an enzyme, a change in substrate specificity, or a change in structure). In rare cases a mutation may create a new or enhanced function for a gene product; this is often referred to as a gain-of-function mutation. Lastly, mutations may occur in non-coding regions of DNA. These mutations can have a variety of outcomes including altered regulation of gene expression, changes in replication rates or structural properties of DNA and other non-protein associated factors.

Suggested discussion

In the discussion above what types of scenarios would allow such a gain-of-function mutant the ability to out compete a wild type individual within the population? How do you think mutations relate to evolution?

Mutations and cancer

Mutations can affect either somatic cells or germ cells. Sometimes mutations occur in DNA repair genes, in effect compromising the cell's ability to fix other mutations that may arise. If, as a result of mutations in DNA repair genes, many mutations accumulate in a somatic cell, they may lead to problems such as the uncontrolled cell division observed in cancer. Cancers, including forms of pancreatic cancer, colon cancer, and colorectal cancer have been associated with mutations like these in DNA repair genes. If, by contrast, a mutation in DNA repair occurs in germ cells (sex cells), the mutation will be passed on to the next generation, as in the case of diseases like hemophilia and xeroderma pigmentosa. In the case of xeroderma pigmentoas individuals with compromised DNA repair processes become very sensitive to UV radiation. In severe cases these individuals may get severe sun burns with just minutes of exposure to the sun. Nearly half of all children with this condition develop their first skin cancers by age 10.

Consequences of errors in replication, transcription and translation

Something key to think about:

Cells have evolved a variety of ways to make sure DNA errors are both detected and corrected, rom proof reading by the various DNA-dependent DNA polymerases, to more complex repair systems. Why did so many different mechanisms evolve to repair errors in DNA? By contrast, similar proof-reading mechanisms did NOT evolve for errors in transcription or translation. Why might this be? What would be the consequences of an error in transcription? Would such an error effect the offspring? Would it be lethal to the cell? What about fordítás? Ask the same questions about the process of translation. What would happen if the wrong amino acid was accidentally put into the growing polypeptide during the translation of a protein? Contrast this with DNA replication.

Mutations as instruments of change

Mutations are how populations can adapt to changing environmental pressures

Mutations are randomly created in the genome of every organism, and this in turn creates genetic diversity and a plethora of different alleles per gene per organism in every population on the planet. If mutations did not occur, and chromosomes were replicated and transmitted with 100% fidelity, how would cells and organisms adapt? Whether mutations are retained by evolution in a population depends largely on whether the mutation provides selective advantage, poses some selective cost or is at the very least, not harmful. Indeed, mutations that appear neutral may persist in the population for many generations and only be meaningful when a population is challenged with a new environmental challenge. At this point the apparently previously neutral mutations may provide a selective advantage.

Example: Antibiotic resistance

The bacterium E. coli is sensitive to an antibiotic called streptomycin, which inhibits protein synthesis by binding to the ribosome. The ribosomal protein L12 can be mutated such that streptomycin no longer binds to the ribosome and inhibits protein synthesis. Wild type and L12 mutants grow equally well and the mutation appears to be neutral in the absence of the antibiotic. In the presence of the antibiotic wild type cells die and L12 mutants survive. This example shows how genetic diversity is important for the population to survive. If mutations did not randomly occur, when the population is challenged by an environmental event, such as the exposure to streptomycin, the entire population would die. For most populations this becomes a numbers game. If the mutation rate is 10-6 then a population of 107 cells would have 10 mutants; a population of 108 would have 100 mutants, etc.

Uncorrected errors in DNA replication lead to mutation. In this example, an uncorrected error was passed onto a bacterial daughter cell. This error is in a gene that encodes for part of the ribosome. The mutation results in a different final 3D structure of the ribosome protein. While the wildtype ribosome can bind to streptomycin (an antibiotic that will kill the bacterial cell by inhibiting the ribosome function) the mutant ribosome cannot bind to streptomycin. This bacteria is now resistant to streptomycin.
Source: Bis2A Team original image

Suggested discussion

Based on our example, if you were to grow up a culture of E. coli to population density of 109 cells/ml; would you expect the entire population to be identical? How many mutants would you expect to see in 1 ml of culture?

An example: Lactate dehydrogenase

Lactate Dehydrogenase (LDH), the enzyme that catalyzes the reduction of pyruvate into lactic acid in fermentation, while virtually every organism has this activity, the corresponding enzyme and therefore gene differs immensely between humans and bacteria. The proteins are clearly related, they perform the same basic function but have a variety of differences, from substrate binding affinities and reaction rates to optimal salt and pH requirements. Each of these attributes have been evolutionarily tuned for each specific organism through multiple rounds of mutation and selection.

Suggested discussion

We can use comparative DNA sequence analysis to generate hypotheses about the evolutionary relationships between three or more organisms. One way to accomplish this is to compare the DNA or protein sequences of proteins found in each of the organisms we wish to compare. Let us, for example, imagine that we were to compare the sequences of LDH from three different organisms, Organism A, Organism B and Organism C. If we compare the LDH protein sequence from Organism A to that from Organism B we find a single amino acid difference. If we now look at Organism C, we find 2 amino acid differences between its LDH protein and the one in Organism A and one amino acid difference when the enzyme from Organism C is compared to the one in Organism B. Both organisms B and C share a common change compared to organism A.

Schematic depicting the primary structures of LDH proteins from Organism A, Organism B, and Organism C. The letters in the center of the proteins line diagram represent amino acids at a unique position and the proposed differences in each sequence. The N and C termini are also noted H2N and COOH, respectively.
Nevezd meg: Marc T. Facciotti (eredeti mű)

Question: Is Organism C more closely related to Organism A or B? The simplest explanation is that Organism A is the earliest form, a mutation occurred giving rise to Organism B. Over time a second mutation arose in the B lineage to give rise to the enzyme found in Organism C. This is the simplest explanation, however we can not rule out other possibilities. Can you think of other ways the different forms of the LDH enzyme arose these three organisms?

Real-life Application:

As we have seen in the "Mutations and Mutants" module, changing even one nucleotide can have major effects on the translated product. Read more about an undergraduate's work on point mutations and GMOs here.

GLOSSARY

induced mutation:

mutation that results from exposure to chemicals or environmental agents

mutation:

variation in the nucleotide sequence of a genome

mismatch repair:

type of repair mechanism in which mismatched bases are removed after replication

nucleotide excision repair:

type of DNA repair mechanism in which the wrong base, along with a few nucleotides upstream or downstream, are removed

proofreading:

function of DNA pol in which it reads the newly added base before adding the next one

point mutation:

mutation that affects a single base

silent mutation:

mutation that is not expressed

spontaneous mutation:

mutation that takes place in the cells as a result of chemical reactions taking place naturally without exposure to any external agent

transition substitution:

when a purine is replaced with a purine or a pyrimidine is replaced with another pyrimidine

transversion substitution:

when a purine is replaced by a pyrimidine or a pyrimidine is replaced by a purine