TRANSLACJA II etap ekspresji genów

Transkrypt

1 TRANSLACJA II etap ekspresji genów Tłumaczenie informacji genetycznej zawartej w mrna (po transkrypcji z DNA) na aminokwasy budujące konkretne białko.

2 trna

3

4

5

6 Operon (wg. Jacob i Monod) Zgrupowane w jednym chromosomie geny struktury, kodujące enzymy jednego szlaku metabolicznego. Wspólna transkrypcja takiego bloku genów rozpoczyna się w przyległym do nich regionie regulacyjnym.

7 Regulon Zespół genów rozmieszczonych w różnych miejscach chromosomu, których ekspresja podlega jednemu systemowi regulacyjnemu.

8 Transacetylaza betagalaktozydowa Funkcja nie znana Beta-galaktozydaza Hydroliza wiązań między Permeaza laktozowa glukozą i galaktozą Umożliwia wnikanie laktozy do komórek Operon laktozowy

9

10

11 Regulacja ekspresji genów eukariotycznych

12 Ekspresja genów może być regulowana na etapach: 1. Przedtranskrypcyjnym (na poziomie chromatyny) 2. Transkrypcyjnym 3. Potranskrypcyjnym

13 MODYFIKACJE CHROMATYNY A EKSPRESJA GENOMU Od stopnia upakowania chromatyny w danym fragmencie chromosomu zależy, czy geny znajdujące się w tym rejonie będą ulegać ekspresji Jeżeli gen jest dostępny, to jego transkrypcja zależy od modyfikacji i sposobu ułożenia nukleosomów w rejonie składania kompleksu inicjującego transkrypcję

14 Figure Genomes 3 ( Garland Science 2007)

15 Aktywność DNA w euchromatynie W euchromatynie występują pętle zbudowane z włókna chromatynowego o grubości 30 nm, a ich długość wynosi kb. 1. Domena strukturalna euchromatyny pętla DNA połączona z matriks jądrową 2. Domena funkcjonalna euchromatyny obszar DNA otaczający gen lub grupę genów ulegających ekspresji. W tym obszarze struktura chromatyny jest bardziej otwarta.

16 Domena funkcjonalna 1. Za utworzenie i utrzymanie otwartej domeny funkcjonalnej odpowiada sekwencja DNA o nazwie LCR (locus control region). 2. Tego typu sekwencje biorą udział w ekspresji wielu genów aktywnych tylko na określonych etapach rozwoju. 3. LCR ( bp) są rozpoznawane przez białka wiążące DNA i decydują o strukturze chromatyny w obrębie domeny. 4. LCR i aktywne geny znajdują się w obszarze poza nukleosomami. 5. Obecność lub brak nukleosomów jest przyczyną uaktywniania genu. 6. Gen jest wyłączony gdy nukleosomy pokrywają miejsce przyłączenia polimerazy RNA.

17 Systemy wpływające na wzajemne położenie nukleosomów i strukturę chromatyny - acetylacja i metylacja histonów Przyłączenie grupy acetylowej lub metylowejdo reszt lizynowych w N-końcowym fragmencie każdego histonu rdzeniowego Zmienia architekturę chromatyny powodując zmniejszenie powinowactwa histonów do DNA i osłabiając oddziaływania pomiędzy samymi histonami (nie powstaje włókno chromatynowe 30 nm); Chromatyna staje się aktywna transkrypcyjnie albo jest w stanie uniemożliwiającym transkrypcję. Acetylacja rozluźnia strykturę chromatyny, zaś metylacja powoduje silniejsze jej upakowanie.

18 Systemy wpływające na wzajemne położenie nukleosomów i strukturę chromatyny - acetylacja i metylacja histonów Acetylacja białek histonowych jest katalizowana przez acetylotransferazy histonowe HAT (ang. histone acetylotrnsferase), zaś usuwanie reszt acetylowych jest katalizowane przez deacetylazy histonowe HDAC (ang. histone deacetylase). Metylacja białek histonowych jest katalizowana przez metylotransferazy histonowe HMT (ang. histone methylotrnsferase),

19 Systemy wpływające na wzajemne położenie nukleosomów i strukturę chromatyny - remodelowanie chromatyny działają tu kompleksy CRM (chromatine remodeling machines), które podobnie jak enzymy acetylujące powodują niewielkie zmiany w strukturze nukleosomów, co umożliwia ich przemieszczanie;

20 Regulacja ekspresji genów na poziomie chromatyny metylacja DNA Metylacja DNA jest związana z tworzeniem rejonów silnie skondensowanych oraz z wyciszaniem aktywności genów znajdujących się w rejonach potencjalnie aktywnych transkrypcyjnie. Metylacja reszt cytozyn jest najpowszechniejszą modyfikacją DNA Przeniesienie grupy metylowej na zasadę w DNA katalizują metylotransferazy DNA.

21 Potranskrypcyjna regulacja ekspresji genów - Składanie alternatywne Proces cięcia i składania katalizują małe cząstki jądrowe snrnp (small nuclear ribonucleoprotein), czyli krótkie jądrowe kompleksy RNA-białko. Rolą snrnp jest rozpoznanie i przyłączanie się do charakterystycznych krótkich sekwencji nukleotydowych występujących wewnątrz wszystkich intronów i na obu ich końcach. Po przyłączeniu na styku intron ekson rozszczepiają RNA i łączą odpowiednie odcięte końce w ciągłą nic RNA. W wyniku cięcia i składania zostają wycięte wszystkie introny, a jednocześnie zachowane zostają wszystkie eksony w wyjściowej kolejności, dając ciągłą sekwencję pojedynczego mrna.

22 Składanie alternatywne Alternatywne składanie polega na tym, że ekson może być potraktowany w całości lub w części jak intron i usunięty podczas tego procesu. W rezultacie z tej samej nici RNA może powstać kilka różnych mrna. Każdy mrna ma wówczas inny zestaw eksonów, dlatego każdy koduje białko o innej sekwencji aminokwasowej. Alternatywne składanie zapewnia skuteczną produkcję różnych białek z jednego genu bez zmian struktury jego DNA. Proces ten może być regulowany, dzięki czemu gen może ulegać ekspresji na danym etapie rozwoju i w danej tkance w jeden sposób, a na innym etapie i w innej tkance w odmienny.

23 Proces wyciszania ekspresji genów na drodze interferencji RNA (zjawisko RNAi, PTGS potranskrypcyjne wyciszanie genów, quelling u grzybów). Degradacja mrna badanego genu indukowana przez dwuniciowy RNA (dsrna), homologiczny do sekwencji tego genu.

24 Wprowadzenie do komórki dwuniciowego RNA o odpowiedniej sekwencji pozwala na precyzyjne wyłączenie ekspresji wybranego genu, kodującego określone białko i analizę wywołanych tym zmian w fenotypie (alternatywna metoda dla mutagenezy insercyjnej).

25 Sygnałem dla uruchomienia procesu w komórce roślinnej jest pojawienie się długich dwuniciowych cząsteczek RNA, które mogą powstać na skutek: Zakażenie wirusami Nadmierne ilości RNA w wyniku nadekspresji transgenu Obecność abrna (aberrant RNA)powstającego po niewłaściwej obróbce RNA.

26 Jeśli induktorem jest RNA wirusa, zbyt wysoki poziom RNA lub abrna, to aktywację nukleazy DICER poprzedza działanie polimeraz RNA generujących powstanie cząsteczek dwuniciowych: crdrp (cell RNA-dependent RNA Polymerase) specyficzna komórkowa, zależna od RNA polimeraza RNA vrdrp (viral RNA-dependent RNA Polymerase) wirusowa zależna od RNA polimeraza RNA

27 1. Kluczowym elementem procesu są oligonukleotydy, określane jako małe interferujące RNA (sirna small interfering RNA) nukleotydowe fragmenty RNA. 2. Enzymem biorącym udział w procesie interferencji RNA jest DICER, który stanowi odrębną klasę nukleaz. Jego rola polega na degradacji dwuniciowych fragmentów RNA (ds.rna) do sirna.

28 Etapy wyciszania ekspresji genów na drodze interferencji RNA

29 3. sirna występują razem z kompleksem białek o złożonej aktywności enzymatycznej zwanym RISC (RNA Induced Silencing Complex). 4. Kompleks RISC wykazuje aktywność zarówno helikazy jak i endo i egzonukleazy. 5. Aktywacja enzymu wymaga dysocjacji dwuniciowych sirna w procesie zależnym od ATP.

30

31 6. Kompleks RISC wiąże preferencyjnie antysensowną nić sirna, natomiast nić sensowna jest degradowana. 7. Jednoniciowy antysensowny sirna zlokalizowany w obrębie RISC rozpoznaje komplementarne sekwencje mrna. 8. Dochodzi do endonukleolitycznej hydrolizy mrna w miejscu, które wyznacza ufosforylowany koniec 5` nici antysensownej sirna.

32

33 Zjawisko RNAi jest wykorzystywane przez rośliny do: 1. Walki z wirusami 2. Wyciszania działania transpozonów 3. Regulacji pracy wielu genów związanych z rozwojem organizmu.

34 Zmienność organizmów żywych Organizm (roślina, zwierzę) Zmienność dziedziczna (genetyczna) Zmienność niedziedziczna Rekombinacja Mutacje Segregacja chromosomów Genowe Crossing-over Chromosomowe Losowe łączenie się gamet

35 Rekombinacja Przerwanie ciągłości jednej lub obu nici cząsteczki DNA i połączenie z jedno- lub dwuniciowym fragmentem innej cząsteczki DNA. Tworzenie dowolnych zestawień genów pochodzących od form rodzicielskich i dowolnych połączeń wariantów cech.

36 Losowa segregacja genów niezależnych do różnych gamet A B D a B D a b d A b d A b D A B d a B d a b D

37 Mechanizm procesu crossing-over A A a a A A a a B B b b B b B b przed c/o po c/o