REGULACE GENOVÉ EXPRESE
VÝZNAM GENOVÉ EXPRESE V MEDICÍNĚ Příklad: Regulace genové exprese: gen pro erytropoetin Situace: hypoxie
REGULACE GENOVÉ EXPRESE: Úrovně regulace genové exprese Genom Transkripce Posttranskripční úpravy mRNA Translace Posttranslační úpravy Degradace proteinů
GENOVÁ EXPRESE Genová exprese: proces, při kterém se genetická informace uložená v jednotlivých genech realizuje jako funkční molekuly kódovaných proteinů. Exprese jednotlivých genů je v buňkách regulovaná. → Efektivní fungování buněk/organismů (adaptace na změny podmínek prostředí, diferenciace v rozdílné typy buněk) Buněčná diferenciace: exprese rozdílných genů vede k rozdílným typům buněk. [FIG.]
ÚROVNĚ REGULACE GENOVÉ EXPRESE: Genom (DNA) Transkripce (DNA → RNA/primární transkript) Posttranskripční úpravy (RNA/primární transkript → mRNA) mRNA (mRNA) Translace (mRNA → polypeptidový řetězec) Posttranslační úpravy (polypeptidový řetězec → funkční protein) Degradace proteinů (funkční protein → degradovaný protein)
GENOM: Stav genomu ovlivňuje expresi genů: Amplifikace genu Přestavba genomu Kondenzace/dekondenzace chromozómu Methylace DNA Amplifikace genu: zvětšení počtu kopií určitého genu Přestavba genomu: transpozony, geny kódující imunoglobuliny
Kondenzace/dekondenzace chromzómu: vyšší stupeň kondenzace → DNA méně přístupná pro transkripční faktory a RNA polymerázu (heterochromatin, X chromozóm). Histondeacetyláza: odštěpuje acetylovou skupinu z histonu → DNA méně přístupná pro transkripci. [FIG.] Methylace DNA: vyšší stupeň methylace → nižší stupeň genové exprese. Obecně geny s methylovanou DNA se neexprimují (X chromozóm, genomický imprinting). Methyláza: katalyzuje methylaci cytosinu v DNA (5-methylcytosin). [FIG.] [FIG.]
Kondenzace/dekondenzace chromzómu: vyšší stupeň kondenzace → DNA méně přístupná pro transkripční faktory a RNA polymerázu (heterochromatin, X chromozóm). Histondeacetyláza: odštěpuje acetylovou skupinu z histonu → DNA méně přístupná pro transkripci. [FIG.] Methylace DNA: vyšší stupeň methylace → nižší stupeň genové exprese. Obecně geny s methylovanou DNA se neexprimují (X chromozóm, genomický imprinting). Methyláza: katalyzuje methylaci cytosinu v DNA (5-methylcytosin). [FIG.] [FIG.]
.
TRANSKRIPCE: Regulace transkripce: klíčový krok v regulaci exprese jednotlivých genů obvykle prostřednictvím vazby specifických proteinů na specifické sekvence DNA Regulační DNA sekvence: DNA sekvence (10 – 10000 párů bází), které se účastní zapínání a vypínání konkrétních genů. Promotor Další regulační DNA sekvence (enhancer) Proteiny regulující transkripci genů: účastní se regulace exprese konkrétních genů na základě vazby na regulační DNA sekvence. Obecné transkripční faktory Specifické transkripční faktory Proteiny regulující transkripci genů obsahují několik DNA vázajících motivů: Homeodoména „Zinc finger“ (zinkový prst) Leucinový zip („leucine zipper“) [FIG.] [FIG.]
Homeodomain
Leucine zipper Zinc fingers
Regulace transkripce v prokaryontních buňkách: Operon: sada genů transkribovaných z jednoho promotoru [FIG.] Represor & operátor (vazebné místo pro represor v rámci promotoru) – tryptofanový operon [FIG.] Aktivátor & vazebné místo pro aktivátor – lac operon [FIG.] Regulace transkripce v eukaryontních buňkách: Obecné transkripční faktory: seskupují se s RNA polymerázou na promotoru prostřednictvím vazby na TATA box. TATA box: sekvence DNA na promotoru, která většinou obsahuje T a A. [FIG.] Aktivátor & „enhancer“ (vazebné místo pro aktivátor) – aktivace z dálky [FIG.] „Combinatorial control“: několik regulačních proteinů spolupracuje při regulaci exprese konkrétního genu. [FIG.]
A cluster of bacterial genes can be transcribed from a single promotor.
Regulace transkripce v prokaryontních buňkách: Operon: sada genů transkribovaných z jednoho promotoru [FIG.] Represor & operátor (vazebné místo pro represor v rámci promotoru) – tryptofanový operon [FIG.] Aktivátor & vazebné místo pro aktivátor – lac operon [FIG.] Regulace transkripce v eukaryontních buňkách: Obecné transkripční faktory: seskupují se s RNA polymerázou na promotoru prostřednictvím vazby na TATA box. TATA box: sekvence DNA na promotoru, která většinou obsahuje T a A. [FIG.] Aktivátor & „enhancer“ (vazebné místo pro aktivátor) – aktivace z dálky [FIG.] „Combinatorial control“: několik regulačních proteinů spolupracuje při regulaci exprese konkrétního genu. [FIG.]
Regulace transkripce v prokaryontních buňkách: Operon: sada genů transkribovaných z jednoho promotoru [FIG.] Represor & operátor (vazebné místo pro represor v rámci promotoru) – tryptofanový operon [FIG.] Aktivátor & vazebné místo pro aktivátor – lac operon [FIG.] Regulace transkripce v eukaryontních buňkách: Obecné transkripční faktory: seskupují se s RNA polymerázou na promotoru prostřednictvím vazby na TATA box. TATA box: sekvence DNA na promotoru, která většinou obsahuje T a A. [FIG.] Aktivátor & „enhancer“ (vazebné místo pro aktivátor) – aktivace z dálky [FIG.] „Combinatorial control“: několik regulačních proteinů spolupracuje při regulaci exprese konkrétního genu. [FIG.]
Regulace transkripce v prokaryontních buňkách: Operon: sada genů transkribovaných z jednoho promotoru [FIG.] Represor & operátor (vazebné místo pro represor v rámci promotoru) – tryptofanový operon [FIG.] Aktivátor & vazebné místo pro aktivátor – lac operon [FIG.] Regulace transkripce v eukaryontních buňkách: Obecné transkripční faktory: seskupují se s RNA polymerázou na promotoru prostřednictvím vazby na TATA box. TATA box: sekvence DNA na promotoru, která většinou obsahuje T a A. [FIG.] Aktivátor & „enhancer“ (vazebné místo pro aktivátor) – aktivace z dálky [FIG.] „Combinatorial control“: několik regulačních proteinů spolupracuje při regulaci exprese konkrétního genu. [FIG.]
Regulace transkripce v prokaryontních buňkách: Operon: sada genů transkribovaných z jednoho promotoru [FIG.] Represor & operátor (vazebné místo pro represor v rámci promotoru) – tryptofanový operon [FIG.] Aktivátor & vazebné místo pro aktivátor – lac operon [FIG.] Regulace transkripce v eukaryontních buňkách: Obecné transkripční faktory: seskupují se s RNA polymerázou na promotoru prostřednictvím vazby na TATA box. TATA box: sekvence DNA na promotoru, která většinou obsahuje T a A. [FIG.] Aktivátor & „enhancer“ (vazebné místo pro aktivátor) – aktivace z dálky [FIG.] „Combinatorial control“: několik regulačních proteinů spolupracuje při regulaci exprese konkrétního genu. [FIG.]
Regulace transkripce v prokaryontních buňkách: Operon: sada genů transkribovaných z jednoho promotoru [FIG.] Represor & operátor (vazebné místo pro represor v rámci promotoru) – tryptofanový operon [FIG.] Aktivátor & vazebné místo pro aktivátor – lac operon [FIG.] Regulace transkripce v eukaryontních buňkách: Obecné transkripční faktory: seskupují se s RNA polymerázou na promotoru prostřednictvím vazby na TATA box. TATA box: sekvence DNA na promotoru, která většinou obsahuje T a A. [FIG.] Aktivátor & „enhancer“ (vazebné místo pro aktivátor) – aktivace z dálky [FIG.] „Combinatorial control“: několik regulačních proteinů spolupracuje při regulaci exprese konkrétního genu. [FIG.]
POSTTRANSKRIPČNÍ ÚPRAVY: „RNA capping“ a polyadenylace RNA zvyšují stabilitu mRNA. Posttrankripční úpravy ovlivňující expresi genu: Alternativní sestřih: umožňuje kódování několika proteinů totožným genem (použití různých exonů genu pro vytvoření mRNA) rozdílné proteiny ze stejného genu: odlišné typy buněk nebo rozdílná stádia individuálního vývoje [FIG.] Editace RNA: inzerce nebo delece nukleotidů a nebo substituce nukleotidů v přepsané RNA změna přepisované genetické informace → objevení se nových iniciačních a stop kodonů
POSTTRANSKRIPČNÍ ÚPRAVY: „RNA capping“ a polyadenylace RNA zvyšují stabilitu mRNA. Posttrankripční úpravy ovlivňující expresi genu: Alternativní sestřih: umožňuje kódování několika proteinů totožným genem (použití různých exonů genu pro vytvoření mRNA) → rozdílné proteiny ze stejného genu: odlišné typy buněk nebo rozdílná stádia individuálního vývoje [FIG.] Editace RNA: inzerce nebo delece nukleotidů a nebo substituce nukleotidů v přepsané RNA změna přepisované genetické informace → objevení se nových iniciačních a stop kodonů
mRNA: Degradace mRNA: životnost mRNA ovlivňuje expresi příslušného genu. miRNA („microRNA): krátké regulační RNA, které regulují genovou expresi na základě regulace degradace příslušné mRNA . [FIG.] Životnost mRNA může být také regulována prostřednictvím nukleotidových sekvencí v 3´ nepřekládané oblasti mRNA: např. IRE („iron responsive element“), na který se váže IRP („iron regulatory protein“)
mRNA: Degradace mRNA: životnost mRNA ovlivňuje expresi příslušného genu. miRNA („microRNA): krátké regulační RNA, které regulují genovou expresi na základě regulace degradace příslušné mRNA . [FIG.] Životnost mRNA může být také regulována prostřednictvím nukleotidových sekvencí v 3´ nepřekládané oblasti mRNA: např. IRE („iron responsive element“), na který se váže IRP („iron regulatory protein“)
TRANSLACE: Translace může být regulovaná vazbou specifického proteinu na mRNA. [FIG.] Příkladem může být IRE v 5´ nepřekládané oblasti mRNA, na který se váže IRP (zablokování translace).
TRANSLACE: Translace může být regulovaná vazbou specifického proteinu na mRNA. [FIG.] Příkladem může být IRE v 5´ nepřekládané oblasti mRNA, na který se váže IRP (zablokování translace).
POSTTRANSLAČNÍ ÚPRAVY: Posttranslační modifikace polypeptidového řetězce zahrnují řadu mechanismů včetně štěpení řetězce a vazbu molekul: Odstranění methioninu z N konce Odstranění signální sekvence Proteolytické štěpení: formování funkčního proteinu štěpením prekurzorového polypeptidového řetězce (proinsulin → insulin). Formování disulfidových můstků: vznikají mezi přilehlými cysteiny. Stabilizují strukturu proteinu. [FIG.]
Chemická modifikace aminokyselin: fosforylace (vazba fosfátu) hydroxylace (vazba –OH skupiny) Glykosylace: vazba oligosacharidového řetězce (glykoproteiny) [FIG.] [FIG.] Vazba prostetické skupiny: prostetická skupina (neaminokyselinová/ neproteinová molekula) může být nutná pro fungování proteinu (hem v hemoglobinu).
Chemická modifikace aminokyselin: fosforylace (vazba fosfátu) hydroxylace (vazba –OH skupiny) Glykosylace: vazba oligosacharidového řetězce (glykoproteiny) [FIG.] [FIG.] Vazba prostetické skupiny: prostetická skupina (neaminokyselinová/ neproteinová molekula) může být nutná pro fungování proteinu (hem v hemoglobinu).
DEGRADACE PROTEINŮ: Degradace proteinů: způsob, kterým může být množství konkrétního proteinu v buňce regulováno. Většina proteinů v buňkách je degradovaná proteazómy. Proteazóm: velký komplex proteolytických enzymů uspořádaných do tvaru válce. [FIG.] Ubiquitin: malý protein kovalentním navázáním ubiquitinu jsou proteiny označeny k degradaci [FIG.]
DEGRADACE PROTEINŮ: Degradace proteinů: způsob, kterým může být množství konkrétního proteinu v buňce regulováno. Většina proteinů v buňkách je degradovaná proteazómy. Proteazóm: velký komplex proteolytických enzymů uspořádaných do tvaru válce. [FIG.] Ubiquitin: malý protein kovalentním navázáním ubiquitinu jsou proteiny označeny k degradaci [FIG.]
LITERATURA: Alberts B. et al.: Základy buněčné biologie. Espero Publishing. Ústí nad Labem, pp. 233-234 & 257-273, 1998 Alberts B. et al.: Essential Cell Biology. Garland Science. New York and London, pp. 258259 & 269-293, 2010