Regulace genové exprese Typy regulací Regulace transkripce Regulace mRNA a translace

Produkce funkčního proteinu podle informace kódované v DNA (gen) Genová exprese Produkce funkčního proteinu podle informace kódované v DNA (gen) DNA obsahuje několik typů informací: tripletový zápis AMK sekvence proteinu informaci o začátku a konci transkriptu informaci o začátku a konci exonů informaci o začátku a konci ORFu informaci o REGULACI (např. stabilita mRNA) Primární sekvence proteinu určuje: Lokalizaci proteinu (signální sekvence) Posttraslační modifikace (např. Asn-X-Ser) Konformaci proteinu

Ne všechny geny jsou exprimovány Genom: celková genetická informace buňky Transkriptom: souhrn mRNA v buňce Proteom: souhrn proteinů v buňce Regulace genové exprese = regulace PROTEOMU

Proč je nutná regulace GE? Reakce na vnější podněty (bakterie, kvasinky) Reakce na vnitřní podněty (imunitní systém) Diferenciace buněk (vývoj)

Ve kterých krocích buňka reguluje GE? Regulace transkripce - nejekonomičtější X Regulace aktivity proteinu - nejrychlejší Ve všech!

Regulace GE: možnosti Regulace transkripce (aktivace x inhibice) Regulace RNA processingu (sestřih, editing) Regulace stability mRNA (degradace x stabilizace) Regulace lokalizace mRNA (polarizace buňky) Regulace translace (blok translace) Regulace aktivity proteinu (modifikace) Regulace lokalizace proteinu (cytosol x jádro) Regulace degradace proteinu (ubiqutinylace)

Mechanismus Dráha signál → efektor může mít více stupňů Regulace GE je vykonávána proteiny Interakce (podle regulované fáze): protein-DNA, protein-RNA, protein-protein Změna GE Signál Senzor Efektor Dráha signál → efektor může mít více stupňů Někdy: senzor = efektor Souvislosti: Buněčná signalizace

5.1 Regulace transkripce Založená na interakci protein-DNA Nejekonomičtější způsob regulace Eukaryota: každý gen pod individuální kontrolou Bakterie: reguluje se transkripce celého operonu Transkripční inhibitory/aktivátory váží specifické promotorové sekvence DNA vazebné proteiny rozeznávají sekvence především podle velkého žlábku (interakce s povrchem) + geometrie helixu Často dimerizace - zesílení vazby

DNA vazebné proteiny Velký žlábek poskytuje více informací o sekvenci než malý

DNA vazebné domény Helix-turn-helix Základní typy DNA vazebných proteinů: Helix-turn-helix Helix-loop-helix Zinc finger Leucine zipper Helix-turn-helix Krátká smyčka, fixní úhel C koncový helix: vazba do velkého žlábku

Helix-loop-helix Zinc finger Delší smyčka - poloha helixu není fixována Dimerizace (homo i hetero) Regulace - dimerizace s kratším proteinem Zinc finger Atom Zn - stabilizace typ helix + β sheet (řetězce) helix + helix (dimerizace)

Leucine zipper Základní DNA vazebné domény Dimerizace (hydrofóbní interakce leucinů) α helixy Základní DNA vazebné domény

Regulace transkripce u bakterií Jednoduchý způsob regulace Specifické sigma faktory (interakce s RNA polymerázou) Regulační proteiny: aktivátory, represory

Trp operon Tryptofanový represor Helix-turn-helix

Lac operon Jacob a Monond, NC 1965 Geny pro utilizaci laktózy VIDEO Jacob a Monond, NC 1965 Geny pro utilizaci laktózy Podmínky: Musí být přítomna laktóza Nesmí být přítomna glukóza

*Vzdálené regulační elementy jsou u bakterií vzácné NtrC - aktivátor, sigma 54 Vyžaduje energii (ATP) - rovněž neobvyklé Kratší vzdálenost než u eukaryot (cca 100 bp)

DNA rearrangement Vzácný způsob regulace ovlivnění GE (náhodná událost) Salmonella mění expresi flagellinu (unikání imunitnímu systému) Inverze: Místně-specifická rekombinace 2 verze flagellinu (H1 a H2), represor blokuje transkripci H1 Souvislosti: DNA rekombinace

Regulace transkripce u eukaryot Složitější regulace: Regulační proteiny se mohou vázat do vzdálených oblastí (kbp) 2) Role obecných transkripčních faktorů, interakce 3) Role struktury chromatinu Insulator (izolant)

Aktivátory Často ve vzdálených oblastech Synergický efekt Acetylace histonů (další aktivátory) Aktivátor může být zároveň represorem VIDEO

Represory Represory mohou působit různými mechanizmy.

Kontrola regulačních proteinů Existuje celá řada mechanizmů, jak je řízena aktivita regulačních proteinů v závislosti na SIGNÁLU.

Příklad: párovací typ Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisae střídá haploidní a diploidní fází Haploid (párovací typ "a " nebo " α ") x diploid alpha1 OFF

Zpětná vazba Proteinový produkt může regulovat vlastní transkripci Pozitivní x negativní Paměťové obvody + oscilace (vnitřní hodiny)

Genová exprese: vývoj Homeotické geny

Epigenetická dědičnost Inaktivace X-chromozómu, genová dóze Methylace Genová dóze: počet kopií genu v buňce X-inaktivace: rané embryonální stadium

Metylace Genomic imprinting

5.2 Postiniciační regulace Terminace transkripce mRNA processing: sestřih, editace Degradace, stabilizace, lokalizace mRNA Translace Transkripce: ANO/NE Postiniciační regulace: rozhoduje i o struktuře proteinu RNA editing a RNA splicing Souvislosti: RNA processing

Alternativní sestřih Regulovaný x konstitutivní (daná frekvence variant) Velmi časté u vyšších eukaryot Často souvisí s alternativním terminačním místem Různé tkáně - různá sestřihová varianta Přímá kontrola sestřihu Calcitonin: štítná žláza, snižuje Ca2+ nervová tkáň, vasodilatace DSCAM: rekordní množství variant vývoj nervové soustavy

Imunoglobuliny Alternativní sestřih je předurčen místem terminace transkripce Nestimulovaný B-lymfocyt: protilátka vázaná v membráně Stimulovaný B-lymfocyt: sekretovaná protilátka

Determinace pohlavních znaků Drosophila melanogaster Pohlaví je určené jako u savců: XX sameček ♀ XY samička ♂ Rozhodující je poměr kopií X chromozómů a autosomálních chromozómů

Lokalizace a život mRNA, translace Roli hrají UTR (nepřekládané oblasti) - poločas rozpadu Lokalizace mRNA (polarizace buňky, diferenciace) - 3´ UTR Cytosolická akonitáza - příklad dvojí regulace VIDEO

Příklady ze života... Regulace příjmu železa u Saccharomyces cerevisiae 2) Oxygen sensing u Homo sapiens

O2 Aft1p Cth2p Low Fe CCC2p Rox1p High Fe mRNA degradation (3´UTR) Nuclear localization Iron using enzymes Coxp Qrcp TCA enzymes Aft1p Cth2p Low Fe High affinity uptake Fet3p/Ftr1p (Fet5p/Fth1p) Low affinity uptake Fet4p (Smf3p) Siderohore uptake Arn1-4p Fit1-3p Copper loading CCC2p Fet3 (20x) Fet4 (40x) Heme synthesis Rox1p High Fe O2

O2 jádro cytosol Transkripce běží P HIF1 HIF MAPK/p38 p300 Hypoxický gen MAPK fosforylací dále aktivuje HIF Transkripce hypoxických genů HIF1 putuje do jádra Hypoxie Vazba HIF a p300

O2 jádro cytosol Transkripce neběží PHD1,2,3 OH HIF1 HIF U. pVHL Proteazóm Ub. Lig. p300 Hypoxický gen PHDs vyžadují kyslík Normoxie Proteazóm ukončí krátký život HIF HIF je pak cílem pro ubiquitinylaci Hydroxylace prolinu

O2 jádro cytosol SUMO ARD1 ac. NO HIF1 HIF1 HIF OH OH pVHL FIH IPAS Hypoxický gen IPAS inhibuje HIF1 Nitrozace má dvojaký efekt ...což zvyšuje afinitu k pVHL ARD1 acetyluje HIF1... FIH hydroxylují asparagin... ...což brání vazbě p300 SUMOyzace snižuje aktivitu HIF

Regulace GE: shrnutí Další příklady → viry Souvislosti: Viry a jejich strategie Růžová barva = regulace, o kterých jsme (zatím) nemluvili

Změny Neslo by lepe zakomponovat epigenetiku? (nebo vynechat?) Trosku upravit slide "mechanismus"